Bài giảng Điện tử công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hưng yên 2013 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 1 LỜI GIỚI THIỆU Nhằm thống nhất nội dung giảng dạy trong các hệ đào tạo, tác giả đã xây dựng giáo trình điện tử công suât áp dụng cho các chuyên nghành kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, cơ điện tử thuộc lĩnh vực đào tạo theo định hướng ứng dụng. Giáo trình được xây dựng trên cơ sở thừa kế những nội dung giảng dạy của các giảng viên trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên và các tài liệu tham khảo trong và ngoài nước. Giáo trình do các nhà giáo có nhiều năm kinh nghiệm tham gia giảng dạy và đóng góp ý kiến. Tuy tác giả đã có nhiều cố gắng biên soạn, nhưng giáo trình chắc không tránh khỏi khiếm khuyết. Hy vọng nhận được sự góp ý của bạn đọc. Mọi góp ý xin liên hệ về tác giả. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 2 MỞ ĐẦU Giáo trình điện tử công suất được biên soạn dựa theo chương trình môn học ĐTCS trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên. Nội dung trong giáo trình được biên soạn ngắn gọn, đơn giản giúp người học nhanh chóng tiếp cận môn học. Khi biên soạn giáo trình tác giả đã cố gắng cập nhật các thông tin mang tính chất thời đại để đảm bảo kiến thức cho học viên đáp ứng được các kiến thức thực tiễn và lý thuyết. Nội dung của giáo trình được biên soạn tương đương với 45 đến 60 tiết học tuỳ theo từng đối tượng đào tạo. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 3 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỌC PHẦN 1. Mô tả cấu trúc của học phần Học phần điện tử công suất được trang bị cho học viên hệ đại học vào năm thứ 2 với thời lượng 02 tín chỉ lý thuyết và 01 tín chỉ thực hành, nội dung được trình bày vắn tắt:  Phần lý thuyết Chƣơng 1: Các phần tử bán dẫn công suất (Thời gian: Lên lớp 3 tiết, tự học 6 giờ) 1.1. Nhiệm vụ của điện tử công suất 1.2. Các phần tử bán dẫn công suất và các tham số 1.2.1. Diode công suất 1.2.2. Transitor BJT công suất 1.2.3. MOSFET 1.2.4. IGBT 1.2.5. Thyristor 1.2.6. GTO 1.2.7. Triac 1.2.8. IGTC, MCT, MTO, ETO 1.2.9. Khả năng làm việc của các phần tử bán dẫn công suất 1.3. Bài tập ứng dụng Chƣơng 2: Chỉnh lƣu không và có điều khiển (Thời gian: Lên lớp 18 tiết, tự học 36 giờ) 2.1. Khái niệm, phân loại mạch chỉnh lưu và luật đóng mở van 2.2. Các mạch chỉnh lưu không điều khiển 2.2.1. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển 2.2.2. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển 2.2.3. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển 2.2.4. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển 2.2.5. Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không điều khiển 2.3. Các mạch chỉnh lưu có điều khiển 2.3.1. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển 2.3.2 .Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển 2.3.3. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển 2.3.4. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển 2.3.5. Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha có điều khiển 2.4. Các mạch chỉnh lưu bán điều khiển Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 4 2.4.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển đối xứng 2.4.2. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển không đối xứng 2.4.3. Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha bán điều khiển 2.5. Bài tập ứng dụng Chƣơng 3: Biến đổi điện áp xoay chiều (Thời gian: Lên lớp 3 tiết, tự học 6 giờ) 3.1. Giới thiệu chung bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha 3.2.1. Một số sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều một pha 3.2.2. Mạch điều áp xoay chiều một pha 3.3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 3.4. Bài tập ứng dụng Chƣơng 4: Biến đổi điện áp một chiều (Thời gian: Lên lớp 5 tiết, tự học 10 giờ) 4.1. Khái quát chung, luật điều khiển, phân loại các mạch xung áp 4.2. Mạch xung áp nối tiếp 4.3. Mạch xung áp song song 4.4. Mạch xung áp đảo dòng 4.5. Mạch xung áp kép loại B (loại B kép) 4.6. Bài tập ứng dụng Chƣơng 5: Nghịch lƣu và biến tần (Thời gian: Lên lớp 6 tiết, tự học 12 giờ) 5.1. Nghịch lưu 5.1.1. Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu 5.1.2. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn dòng một pha và ba pha 5.1.3. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha và ba pha 5.2. Biến tần 5.2.1. Khái niệm và phân loại biến tần 5.2.2. Thiết bị biến tần trực tiếp 1 pha và ba pha 5.2.3. Thiết bị biến tần gián tiếp 1 pha và ba pha 5.10. Bài tập ứng dụng Chƣơng 6: Điều khiển thiết bị biến đổi (Thời gian: Lên lớp 5 tiết, tự học 10 giờ) 6.1. Yêu cầu, đặc điểm mạch điều khiển điện tử cống suất 6.2. Các nguyên tắc điều khiển thiết bị biến đổi Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 5 6.2.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 6.2.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos 6.3. Các khâu trong bộ điều khiển biến đổi phụ thuộc 6.3.1. Khâu đồng bộ tín hiệu điều khiển 6.3.2. Khâu tạo xung răng cưa dồng bộ 6.3.3. Khâu so sánh và tạo xung điều khiển 6.3.4. Khâu khuếch đại xung 6.4. Các khâu trong bộ điều khiển biến đổi độc lập 6.4.1. Khâu tạo tín hiệu dao động 6.4.2. Khâu tạo xung răng cưa 6.4.3. Khâu so sánh và tạo xung điều khiển 6.4.4. Khâu khuếch đại xung 6.5. Một số mạch điều khiển điền hình 6.5. Bài tập ứng dụng Chƣơng 7: Bảo vệ thiết bị biến đổi (Thời gian: Lên lớp 3 tiết, tự học 6 giờ) 7.1. Ngắn mạch và bảo vệ ngắn mạch 7.2. Quá điện áp và bảo vệ quá điện áp 7.3. Hao tổn công suất và làm mát thiết bị biến đổi 7.3.1. Hao tổn công suất trong thiết bị biến đổi 7.3.2. Làm mát các phần tử bán dẫn 7.4. Tính chọn van công suất trong các bộ biến đổi 7.5. Bài tập ứng dụng  Phần Thực hành Bài 1: Kiểm tra linh kiện và khảo sát đặc tính các van bán dẫn công suất (diode, thyritstor...) (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Bài 2: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Bài 3: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Bài 4: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 6 Bài 5: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Bài 6: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không điều khiển (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Bài 7: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Bài 8: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha có điều khiển (Thời gian: Lên lớp 6h, 6h tự học) Bài 9: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển hai thyristor mắc cathot chung (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Bài 10: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển mắc đối (Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học) Bài 11: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển (Thời gian: Lên lớp 6h, 6h tự học) ` Bài 12: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha có điều khiển (Thời gian: Lên lớp 6h, 6h tự học) 2. Vai trò của học phần - Nội dung học phần giúp người học có khả năng trang bị kiến thức về: + Phân tích được cơ sở lý thuyết và khảo sát lựa chọn được các van bán dẫn công suất. + Phân tích được cơ sở lý luận và kháo sát đánh giá được các bộ biến đổi công suất AC-DC; DC-DC; AC-AC và DC-AC. + Làm cơ sở lý luận cho các học phần như truyền động điện; trang bị điện; lý thuyết điều khiển tự động 3. Sự hình thành năng lực và liện hệ các chuẩn đầu ra - Sau khi nghiên cứu học phần người học có khả năng phân tích, sửa chữa, bảo dưỡng và thiết kế được các bộ biến đổi điện tử công suất cơ bản. - Môn học là tiền đề cho việc hình thành và tích lũy kiến thức cho việc tham gia đánh giá các chuẩn đầu ra về lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện. 4. Các ứng dụng và giới việc làm Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại cũng như trong dân dụng. Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện tự động, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 7 cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp. Trong dân dụng ngày nay được sử dụng khá rộng rãi như các bộ điều khiển ánh sáng, chuyển đổi điện DC - AC hay bộ băm xung áp DC-DCNhững năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng ưu vượt và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Để có cách nhìn tổng quát về ứng dụng của điện tử công suất trong đời sống với mọi lĩnh vực ta có thể nhìn nhận tổng quan ứng dụng như sau: Như vậy ta thấy lĩnh vực điện tử công suất có mặt hầu hết mọi lĩnh vực, nó mở ra cho chúng ta một cơ hội việc làm và là cơ sở để đầu tư phát chuyển lĩnh vực chuyên môn về điện tử công suất. 5. Phƣơng pháp học tập, nghiên cứu học phần. * Hình thức tổ chức - Học tập chung trên lớp - Tự học ở nhà * Phương pháp: - Kết hợp nhiều phương pháp khác nhau phù hợp với nội dung bài học: Phân tích, thuyết trình, trực quan hình ảnh - vật thật, làm việc theo nhóm và tự nghiên cứu Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 8 6. Tài liệu, học liệu liên quan. [1]. Nguyễn Đình Hùng- Điện tử công suất – Lƣu hành nội bộ [2]. Nguyễn Bính- Điện tử công suất – NXB KHKT- 2000. [3]. Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải - Trần Trọng Minh- Điện tử công suất – NXB KHKT- 2005. [4]. Vụ trung học chuyên nghiệp - Điện tử công suất – NXB GD- 2000. [5]. Nguyễn Đình Hùng- Thí nghiệm điện tử công suất – Lƣu hành nội bộ Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 9 Chương 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 1.1 Nhiệm vụ của điện tử công suất Điện tử công suất là một môn học thuộc chuyên ngành kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất. Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải. Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu chính của môn học điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi van bán dẫn mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn còn khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn. Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển của chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất rất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ dẫn đến hiệu suất làm việc cao. Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất nên rất phù hợp trong các hệ thống tự động đò hỏi độ chính xác cao. Đây là đặc tính nổi trội của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu cơ điện tử thông thường không thể có được. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 10 Khi nghiên cứu điện tử công suất chúng ta cần hiểu rõ các đặc tính cơ bản của các van công suất để sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của van sông suất trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các van công suất được thể hiện ở khả năng đóng cắt, khả năng chịu điện áp, dòng điện và các đặc tính liên quan đến quá trình làm việc và điều khiển chúng. Về cơ bản các van công suất đều có các đặc tính chung như sau: * Các van bán dẫn công suất (BDCS) khi mở dẫn dòng đi qua thì điện trở tương đương rất nhỏ, còn khi khoá không cho dòng điện đi qua thì điện trở tương đương rất lớn. * bản chất BDCS chỉ dẫn dòng điện theo một chiều khi được phân cực thuận và có tín hiệu điều khiển với các van có điều khiển. Nếu các van công suất bị phân cực ngược xẽ có dòng điện rất nhỏ đi qua khoảng vài mA, gọi là dòng điện ngược hay dòng rò. 1.2 Các phần tử bán dẫn công suất và các thông số. 1.2.1 Diode công suất. a> Cấu tạo đặc điểm và phân loại: -Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp P-N. Diện tích bề mặt tiếp giáp được chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm2. Mật độ dòng điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Do vậy dòng điện định mức của một số loại diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như BB2-1250. Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.1. A K P N J A K Hình 1.1: Cấu tạo, ký hiệu của diode công suất Trong thực tế các diode công suất thường được chế tạo với nhiều hình dáng khác nhau, nhưng thường tập chung theo các dạng sau: Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 11 Hình 1.2: Hình ảnh một số loại diode công suất - Điode công suất có 2 loại thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu công suất lớn: *Diode chỉnh lưu Gecmani (Ge): Tiếp giáp của diode Ge phần lớn được chế tạo bằng phương pháp làm nóng chảy IN (indi) với nhiệt độ thích hợp, trong bán dẫn Ge loại N. Miếng bán dẫn Ge được hàn với nền bằng thép. Tinh thể Ge được đặt trong vỏ bọc hợp kim cova để bảo vệ và liên kết với bộ phận tản nhiệt. -Đặc điểm của Diode Ge là điện áp chịu đựng được khoảng 400V, nhưng sụt áp trên Diode nhỏ nên được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu điện áp thấp. Diode Ge thường bị đánh thủng do nhiệt độ, nhiệt độ cho phép của Diode Ge khoảng 750C, nên khi làm việc ở nhiệt độ cao dòng điện ngược tăng lên đáng kể dẫn đến chất lượng chỉnh lưu thấp, do vậy ta có thể coi nhiệt độ cho phép là nhiệt độ tới hạn của Diode Ge. *Diode chỉnh lưu silic (Si): -Diode chỉnh lưu Si được chế tạo bằng cách làm nóng chảy nhôm trong tinh thể Si loại N, hoặc làm nóng chảy hợp kim thiếc phốt pho, hay vàng antimoan trong tinh thể silic loại P. Ngoài ra người ta còn chế tạo bằng phương pháp khuếch tán Phốt pho vào tinh thể Si loại N. Công nghệ chế tạo kiểu khuếch tán thường được áp dụng cho các loại diode công suất lớn. -Tinh thể Si và tiếp giáp PN được bọc bởi vỏ kim loại, tinh thể bán dẫn được hàn bằng hợp kim bạc- antimoan hay vàng- antimoan. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 12 - Diode Si có điện áp ngược cho phép cỡ 2500V, nhưng độ xụt diện áp trên Diode Si cũng cao hơn Diode Ge. Nhiệt độ cho phép của Diode Si khá cao tmax = 125 0C, và hiện tượng đánh thủng chủ yếu cũng là do nhiệt độ. b>Nguyên lý làm việc và đặc tính vôn – ampe của diode - Khi ghép công nghệ hai miền bán dẫn P-N với nhau như hình vẽ, ở điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường tại tiếp giáp J các điện tử bên miền bán dẫn N khuếch tán sang miền bán dẫn P xẽ trung hòa vào các ion dương ở đây. Do các điện tích trong vùng tiếp giáp bị trung hòa lẫn nhau nên vùng này trở thành vùng nghèo điện tích hay vùng có điện trở lớn. Tuy nhiên vùng này chỉ mở rộng ra đến một độ dày nhất định vì bên miền bán dẫn N khi các điện tử di chuyển để lại các ion dương, còn bên miền bán dẫn P các điện tử di chuyển xẽ nhập vào các lớp hóa trị ngoài cùng tạo thành các ion âm. Các ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể Si nên không thể di chuyển được. Kết quả tạo thành một tụ điện tương đương tại tiếp giáp với điện cực âm bên miền P và điện cực dương bên miền N. Các điện tích của tụ tạo nên một điện trường Ein cò hường từ miền N sang miền P. Điện trường Ein tạo nên một hàng rào điện thế với giá trị khoảng 0,65V ở nhiệt độ môi trường bình thường. Sự tạo thành vùng nghèo điện tích (hàng rào điện thế) trong tiếp giáp P-N + + + + + - - - - - - np Ein c Sự hình thành tụ điện tương đương tại tiếp giáp P-N - Khi tiếp giáp P-N của diode được đặt đưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường Ein thì vùng nghèo điện tích xẽ được mở rộng ra, nên điện trở tương đương của diode càng lớn và dòng điện xẽ không thể chạy qua. Lúc này toàn bộ điện áp xẽ được đặt lênvùng nghèo điện tích, ta nói rằng diode bị phân cực ngược như hình 1.3 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 13 - Khi điện trường ngoài ngược chiều với điện trường Ein thì vùng nghèo điện tích xẽ bị thu hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài lớn hơn 0,65V thì vùng nghèo điện tích xẽ thu hẹp lại đến bằng không, và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc của diode. Dòng điện đi qua diode lúc này chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài. Khi đó ta nói rằng diode được phân cực thuận như hình 1.4. Hình 1.3: vùng nghèo các điện tích. + + - + - - p n -+ Eng + + + Hình 1.4:Hướng di chuyển các các điện tích *Đặc tính vôn – ampe của diode ( Đặc tính tĩnh) Một sô tính chất của diode trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua đặc tính V-A. U mA UD0 U mA A U mA Ung,max UD0 A A 0 0 0 §Æc tÝnh thùc tÕ cña diode §Æc tÝnh tuyÕn tÝnh hãa cña diode §Æc tÝnh lý tuëng cña diode 1 2 3 Hình 1.5: Đặc tính V-A của diode công suất Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ nhất ứng với UAK  0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với UAK  0 như hình 1.5. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 14 -Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến giá trị nhỏ hơn UD0 khi đó dòng điện qua diode tăng gần như tuyến tính với điện áp rơi trên diode, đến khi UAK vượt quá giá trị UD0  0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòng điện đi qua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu như không đổi. -Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp UAK được tăng dần trong phạm vi từ 0 đến giá trị nhỏ hơn Ungmax khi đó dòng điện qua diode có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị lớn hơn Ungmax thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cản trở dòng điện của diode theo chiều ngược bị phá vỡ. Đây là hiện tượng diode bị đánh thủng ( vùng 3). -Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tính hóa của diode. Biểu thức toán học của đường đặc tính này là: u = UD0 + iDRD Trong đó: UD0(V) là điện áp trung bình rơi trên diode ID (A) là dòng trung bình qua diode RD () là điện trở vi phân. - Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép và điện áp ngược mà diode chịu được. Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương của diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng  theo chiều ngược. * Đặc tính động của diode Khác với đặc tính V-A, đặc tính động hay đặc tính đóng cắt biểu diễn mối quan hệ u(t), i(t) theo thời gian. Đặc tính đóng cắt tiêu biểu của một diode được thể hiện như hình vẽ sau: Us R L iF UF Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 15 Us t t iF UF t2t1 t4 t6t3 t5 UR UF =(1¸1,5) tr Đặc tính đóng cắt của một diode - Từ đặc tính ta thấy trong đoạn 0 < t < t1 khi đó Us < 0 nên diode bị phân cực ngược nên UF 0 khi đó diode bắt đầu dẫn dòng nạp cho tụ điện tương đương của tiếp giáp P-N trước đó đang bị phân cực ngược. Lúc này dòng điện thuận qua diode tăng dần lên đến giá trị xác lập còn điện áp rơi trên diode lúc này thay đổi từ giá trị UR về giá trị UF  (1 1,5)V. Khi điên áp qua điểm 0V ở giai đoạn đầu điện áp dương có tăng lên vài vôn do điện trở vùng nghèo điện tích còn lớn. Từ thời điểm t2 đến t3 khi đó diode hoàn toàn ở trạng thái dẫn. - Tại thời điểm t = t3 khi đó Us < 0, ngay thời điểm ban đầu diode vẫn được phân cực thuận trong khoảng t3 < t < t4 do các điện tích tại tiếp giáp chưa kịp di chuyển hết ra ngoài. Thời gian di chuyển phụ thuộc vào tốc độ tăng của dòng điện ngược di/dt và lượng điện tích tích lũy quyết định bởi giá trị dòng điện mà diode dẫn trước đó. Vì lúc này nội trở của diode vẫn còn nhỏ nên hình thành một dòng điện ngược Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 16 đi từ cathot sang Anot, dòng điện này có nhiệm vụ triệt tiêu dòng điện thuận và sinh ra dòng điện phân cực ngược diode. Đến thời điểm t = t4 khi đó diode bắt đầu bị phân cực ngược do vậy nii trở tại tiếp giáp tăng dần lên làm dòng điện ngược giảm đi và điện áp ngược bắt đầu tăng dần lên đến giá trị UR. Trong khoảng thời gian từ t4 đến t5 tụ điện tương đương tại tiếp giáp được hình thành và được nạp đến giá trị điện áp ngược. Từ thời điểm t6 trở đi lúc này diode bị khóa hoàn toàn. Để rõ hơn quá trình đóng cắt của một diode dưới đây giới thiệu đặc tính của một diode RURU10060 trong công nghiệp do nhà sản xuất linh kiện cung cấp. c> Các tham số cơ bản của Diode - Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, IDAV . Trong quá trình làm việc dòng điện chạy qua diode sẽ làm phát nóng tinh thể bán dẫn của diode. Công suất tổn hao của diode khi đó sẽ bằng tích dòng điện chạy qua nó với điện áp rơi trên diode. Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anốt đến catot. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 17 Điều này có nghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ với dòng điện trung bình qua diode, Vì vậy giá trị IDAV là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode trong một ứng dụng cụ thể. - Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chiệu đựng được, Ung,max (URRM) Ung,max là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được, đây cũng là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode. Như ở đặc tính vôn – ampe đã chỉ ra, quá trình diode bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, vì vậy trong các ứng dụng thực tế khi lựa chọn diode phải luôn đảm bảo UAK <= Ung,max . - Tần số làm việc của diode. Quá trình phát nhiệt trên diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của diode. Trong các khoảng thời gian diode mở ra hoặc khóa lại công suất tổn hao tức thời u(t). i(t) có giá trị lớn hơn luc diode dẫn dòng hoặc lúc đạng bị khóa. Vì vậy nếu tần số đóng cắt cao, hoặc trong trường hợp thời gian đóng cắt của diode So sánh được với khoảng dẫn dòng hoặc khóa thì tổn thất trên diode lại bị quy định chủ yếu bởi tần số làm việc chứ không phải chỉ có giá trị dòng điện trung bình. Các diode được chế tạo để phù hợp với các dải tần số làm việc khác nhau, nên khi lựa chọn diode cần phải quan tâm dến tần số làm việc của diode. - Thời gian phục hồi tr. Trong các bộ biến đổi thường sẩy ra quá trình chuyển mạch giữa các phần tử, nghĩa là quá trình dòng điện chuyển từ một phần tử này sang một phần tử khác. Các diode khi khóa lại có dòng ngược có thể có biên độ rất lớn để di tản các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của mình trong khoảng thời gian tr, gọi là thời gian phục hồi. Thời gian phục hồi cũng quyết định tổn thất công suất trong diode. Các diode có thời gian phục hồi rất ngắn cỡ s, gọi là các diode cắt nhanh. Cần phải phân biệt các diode cắt nhanh với các diode tần số cao, và tr là một thông số cần quan tâm khi chọn diode. Dưới đây chúng tôi giới thiệu bảng thông số cụ thể của một diode trong công nghiệp. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 18 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 19 1.2.2 Transitor công suất (Bipolar transistor) - BJT a> Cấu tạo và đặc điểm chung Transitor công suất có cấu tạo, ký hiệu tương tự như Transitor thường với các loại như NPN hay PNP. Nó cũng được cấu tạo bởi ba miền bán dẫn, được ghép liên tiếp nhau, miền ở giữa luôn khác tên với 2 miền bên cạnh, tạo nên hai lớp tiếp giáp PN. Tiếp giáp giữa cực B và cực C gọi là tiếp giáp Jc, còn tiếp giáp giữa cực B và cực E gọi là tiếp giáp JE . Nếu miền bán dẫn ở giữa là loại N thì 2 miền bên cạnh là loại P khi đó ta có loại transitor thuận PNP. Ngược lại nếu miền bán ở giữa là loại P thì 2 miền bên cạnh là loại N khi đó ta có loại transitor ngược NPN. - Transior công suất đưa ra ngoài ba cực, cực nối với lớp bán dẫn ở giữa gọi là cực gốc B (bazơ), cực nối với lớp bán dẫn mà khi làm việc có điện trường ngoài ngược chiều với điện trường trong gọi là cực phát E (Emitor), cực nối với lớp bán dẫn còn lại là cực C (Collector). p p n Collector Emitor Baz¬ JE JC C E B p Collector Emitor Baz¬ C E B n n JC JE Hình 1.6: Cấu trúc và ký hiệu của tranzitor thuận - ngƣợc Thông thường các transistor thường làm việc ở chế độ khuếch đại với dòng colecter lớn hơn dòng bazơ là  lần. BC II . Trong đó  = 10 -100 gọi là hệ số khuếch đại tùy thuộc vào BJT. tuy nhiên điểm khác cơ bản với Transistor thường là Transistor công suất thường được sử dụng như 1 khoá đóng - cắt điện tử, khi điều khiển mở phải thỏa mãn điều kiện:  C B I I  hay  C bhB I KI . Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 20 với Kbh = 1,2 1,25. Điểm khác biệt nữa là tiếp giáp của Transistor công suất có diện tích lớn hơn transistor thường, nó có thể đạt đến hàng trục mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục đến hàng trăm Ampe, chịu được tần số đóng cắt tương đối cao và điện áp làm việc khá lớn, nó còn được gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch. Transistor công suất làm việc ở chế độ đống cắt nên có hai điểm làm việc khác biệt. Hình 1.7 mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch và điểm làm việc của transistor: Uout Rc R2 Uin +Ub R1 V1 ic UCE A1 A2 0 Ib2>ib1 UCES Ib1 = 0 Hình 1.7: Sơ đồ khuếch đại chuyển mạch và điểm làm việc trên dặc tuyến ra của tranzitor Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng tại điểm A2 hoặc cắt tại điểm A1 hay dẫn - không dẫn. b> Nguyên lý làm việc - Để tranzitor làm việc ta cần phân cực cho tranzitor sao cho tiếp giáp JE phân cực thuận còn JC phân cực ngược. Cụ thể ta xét với loại tranzitor ngược (NPN) khi JE được phân cực thuận thì các hạt đa số được di chuyển đến tiếp giáp JE làm cho điện trở tiếp giáp JE giảm làm xuất hiện dòng điện IB. Khi đó tiếp giáp JC được phân cực ngược nhưng do điện trường ngoài lớn hơn rất nhiều so với điện trường nội tại nên phần lớn các điên tử bị hút về cực dương của nguồn ngoài tạo nên dòng điện IC. Dòng điện IC phụ thuộc vào độ lớn của dòng điều khiển IB. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 21 c>. Đƣờng đặc tính làm việc và sự điều khiển quá mức của transistor Uout Rc R2 Uin +Ub R1 V1 Ub A1 A2 A3 A4 IbUcb = 0 Ic (A) Uce Uce Uce Uce V Hình 1.8: Đặc tính làm việc của công tắc Transitor Để phân biệt điểm làm việc thông thường của transistor với điểm làm việc quá mức ta xét mạch điện như hình 1.8 với tải thuần trở. Ở trạng thái làm việc bình thường nếu transistor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đến A2. Ở đây dòng điện IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn thì điểm làm việc sẽ chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4. Đến đây dòng điện IC tăng rất ít khi tăng giá trị iB. Ở đây điên áp UCE giảm xuống bé hơn điện áp bão hoà UCEsat chúng được gọi là: UCErest . Điểm làm việc như vậy tại A4 gọi là điểm làm việc quá mức. d> Sự điều khiển quá mức của Transitor Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòng điện IB có giá trị lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng IC đạt tới cực đại. Ở điều khiển quá mức thì dòng điện IC thay đổi không còn tuyến tính với dòng IB nữa. Điểm điều khiển quá mức đạt đến nếu UBE < UCEsat có nghĩa là UCB  0. Transitor được điều khiển quá mức nếu nó cần làm việc như là một công tắc. Sự điều khiển quá mức có ưu điểm là điện áp dư UCErest rất nhỏ, làm cho công suất tổn hao giảm đi. Mức độ điều khiển quá mức được tính toán theo hệ số điều khiển quá mức K nó chính là tỉ số dòng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đến giới hạn UCB  0. K = IB/IB’ Thông thường tỉ số này được chọn từ K = 2 - 5. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 22 e> Đặc tính tải của transistor với các loại tải khác nhau ** Tải thuần trở Rload R1 Uin +Us V1 Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt dung BJT với tải thuần trở ic UCE A1 A2 0 Ib2>ib1 UCES Ib1 = 0 US Đặc tính tải của BJT với tải thuần trở Với tải thuần trở khi IB = IB1 = 0 thì BJT làm việc tại điểm A1, đến khi IB = IB2 > 0 lúc này BJT chuyển từ chế độ khóa sang chế độ dẫn bão hòa theo đường thẳng nối A1 đến A2 và làm việc tại điểm A2. Còn khi khóa thì ngược lại. ** Tải C mắc song song với R Uin Rload R1 +Us V1 Cload Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt dung BJT với tải C // R ic UCE A1 A2 0 Ib2>ib1 UCES Ib1 = 0 US Đặc tính tải của BJT với tải thuần trở Ban đầu IB = IB1 = 0 thì BJT làm việc tại điểm A1, đến khi IB = IB2 > 0 lúc này BJT chuyển từ chế độ khóa sang chế độ dẫn, nhưng ngay lập tức UCE vẫn dữ nguyên do hiện tượng quá độ của tụ C, điện áp tụ coi như bằng không khi nạp tại thời điểm đầu và dòng điện cũng tăng vọt so với giá trị xác lập khi làm việc tại điểm bão hòa. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 23 Sau đó tụ điện C được nạp điện áp tăng dần thì dòng điện qua BJT giảm dần, điện áp trên cực CE cũng giảm dần về giá trị UCES sau một thời gian rất ngắn thì BJT về làm việc tại điểm bão hòa A2. Khi dòng điều khiển thay đổi từ giá trị IB2 về IB1 = 0 thì ngay lập tức điện áp trên hai đầu tụ không đổi nên điện áp UCE vẫn giữ nguyên còn dòng IC giảm nhanh về không. Sau đó tụ C phóng điện qua R sau một thời gian ngắn thì điện áp UCE mới tăng dần về giá trị US và làm việc tại điểm A1. ** Tải L mắc nối tiếp R Uin Rload R1 +Us V1 Lload Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt dung BJT với tải R+L ic UCE IA1 A2 0 Ib2>ib1 UCES Ib1 = 0 US Có D0 Không có D0 Đặc tính tải của BJT với tải thuần trở Ban đầu IB = IB1 = 0 thì BJT làm việc tại điểm A1, đến khi IB = IB2 > 0 lúc này BJT chuyển từ chế độ khóa sang chế độ dẫn, nhưng ngay lập tức IC vẫn dữ nguyên giá trị bằng IA1 do hiện chậm pha của dòng điện trong tải cảm. Đường đặc tính lúc này chạy sát với trục hoành theo chiều giảm UCE sau đó dòng điện IC tăng dần về làm việc tại điểm bão hòa A2. Khi dòng điều khiển thay đổi từ giá trị IB2 về IB1 = 0 thì ngay lập tức dòng điện IC vẫn giữ nguyên giá trị bằng dòng bão hòa, còn điện áp UCE tăng vượt giá trị điện áp nguồn US do sự tác động của sức điện động eL= -Ldi/dt của cuộn cảm gây ra. Sau một thời gian ngắn thì điện áp UCE mới giảm dần về giá trị US còn IC giảm gần về không lúc này BJT làm việc tại điểm A1. Như vậy ta thấy khi BJT làm việc với tải có tính chất dung kháng hoặc cảm kháng thì đều xẩy ra hiện tượng tăng dòng và áp vượt khỏi giá trị giới hạn công suất, nên có thể gây phá hỏng BJT. Chính vì vậy trong thực tế với tải cảm thường mắc thêm một diode song song ngược với tải gọi là diode hoàn năng lượng, còn với tải dung kháng thường mắc thêm một cuộn cảm hạn chế độ tăng trưởng của dòng điện và có một điện trở mắc song song với tụ điện C để gái phóng điện năng tích lũy trong tụ điện dưới dạng điện trường. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 24 f> Đặc tính đóng cắt của transistor Chế độ đóng cắt của transistor chủ yếu phụ thuộc vào các tụ ký sinh CBE và CBC giữa các tiếp giáp B-E và B-C . Để hiểu rõ hơn ta phân tích quá trình đóng cắt của một BJT với tải thuần trở làm việc với điện áp nguồn Us và điều khiển bởi tín hiệu UB như hình vẽ sau: Rt +Us UB RB iB iC CBC CBE UB1 UB2 Sơ đồ nguyên lý phân tích quá trình đóng, cắt của BJT t UB1 t UBE t iB t UCE t iC t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 ton toff Dạng sóng dòng điện, điện áp của một BJT trong quá trình đóng, cắt ** Phân tích quá trình mở BJT Trước thời gian t1 khi đó UB = UB1 < 0 nên BJT đang ở trạng thái khóa do vậy điện áp UBE = UB1; iBE = 0; UCE = US; ICE = 0. Tại thời điểm t = t1 khi đó tín hiệu điều khiển UB = UB2 > 0 để kích mở BJT. Tại thời điểm ban đầu có dòng nạp cho tụ tương đương CBC và CBE từ giá trị UB1 đến giá trị điện áp ngưỡng U * nên dòng IB tăng đột ngột sau đó giảm dần về giá trị IB1. Giá trị IB1 được xác định: Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 25  C BE BEBCCBEC B B B I I III R UU I     .. * 1 1 Trong đó U* là giá trị điện áp ngưỡng mở của tiếp giáp B-E có giá trị khoảng U * = 0,6 V  0,7V. Tụ điện tương đương được nạp kết thúc tại thời điểm t2, khi đó dòng điện iC bắt đầu tăng dần lên từ không đến giá trị bão hòa ICS còn điện áp UCE giảm dần do điện trở tương đương tại các tiếp giảp J1 và J2 giảm xuống. Khoảng thời gian từ t1 < t < t2 gọi là khoảng thời gian trễ mở (TON) của BJT , khoảng thời gian t2 < t < t4 là khoảng thời giản bắt đầu dẫn đến khi dẫn bào hòa của BJT, nó phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB. Đến thời điểm t4 khi đó khi đó điện áp UCE hoàn toàn giảm đến giá trị bão hòa và được xác định: tCSSCES RIUU . ** Phân tích quá trình khóa BJT Trong thời gian BJT dẫn ở chế độ bão hòa thì điện tích được tích tụ tại các tiếp giáp trong lớp Bazơ và colectơ, nên tại thời điểm t5 khi điện áp điều khiển thay đổi từ giá trị UB2 về UB1 các điện tích tích lũy trong các lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức, do vậy dòng IB tức thời thay đổi từ giá trị IB1 về giá trị IB2. B B B R UU I * 2 2   Lúc đầu lượng điện tích tại các tiếp giáp được di chuyển ra ngoài bằng một lượng không đổi là IB2. Đến thời điểm t = t6 khi đó khi đó lượng điện tích trong tiếp giảm về gần không nên tiếp giáp BC bắt đầu bị phân cực ngược do vậy dòng điện IC giảm dần về 0V và điện áp UCE tăng dần đến điện áp US. Trong khoảng này BJT làm việc ở chế độ tuyến tính và tụ CBC bắt đầu được nạp tới giá trị điện áp ngược , bằng giá trị của US. Như vậy trong khoảng t6 < t < t7 thì tiếp giáp BE vẫn được phân cực thuận còn tiếp giáp Bc bị phân cực ngược. Đến thời điểm t = t7 khi đó BJT mới khóa hoàn toàn còn tụ điện CBE mới được nạp tới điện áp ngược UB2 và dòng điện IB giảm về không, lúc này BJT mới hoàn toàn phục hồi về trạng thái khóa ban đầu. g> Các thông số cơ bản của BJT - VCEO : Điện áp cực đại giữa collector và emitter khi IB = 0. - VCBO: Điện áp cực đại giữa collector và base khi IB = 0. - VEBO: Điện áp cực đại giữa emitter và base khi IC = 0. - IC: Dòng điện cực đại chảy qua cực CE khi làm việc liên tục Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 26 - IB: Dòng điện điều khiển cực đại chảy qua cực BE khi làm việc liên tục Sau đây giới thiệu các thông số của một BJT cụ thể: 1.2.3 MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) 1.2.4.3. Transistor MOSFET (Transitor trƣờng cực cổng cách li) Ở MOSFET, sự điều khiển không thông qua lớp chắn mà qua một lớp cách điện. Lớp cách điện này về nguyên tắc có cấu tạo từ oxít kim loại cũng chính vì vậy mà người ta gọi là MOSFET. Khi viết tắt người ta cũng thường hay viết IFET (I: insulated) hoặc IGFET (IG: insulated gate). MOSFET được chia làm hai loại: Loại có kênh liên tục hay còn gọi là MOSFET có kênh đặt sẵn và loại có kênh gián đoạn còn gọi là MOSFET có kênh cảm ứng. MOSFET có kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi UGS = 0V. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 27 Ở MOSFETs có kênh gián đoạn thì ngược lại, khi UGS = 0V thì nó không dẫn. Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N hay kênh P. a> Cấu trúc và ký hiệu: - Không giống như Transitor thường được giới thiệu ở phần trên, chúng được điều khiển bằng dòng điện. Còn MOSFET được điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển rất nhỏ, do vậy MOSFET có thể được điều khiển trực tiếp từ các đầu ra của các vi mạch công suất nhỏ. - Trên hình: 1.9, biểu diễn cấu trúc của một MOSFET kênh dẫn kiểu n. trong đó G là cực điều khiển cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn bởi lớp điện môi mỏng silicđioxit (SiO2) nhưng có cách điện rất lớn. Nếu kênh dẫn là kiểu n thì các hạt mang điện xẽ là các electron (các hạt điện tử) do đó cực tính điện áp của cực máng là cực dương, còn cực gốc thường nối với đế P. -Trên cấu trúc ký hiệu gạch chéo giữa D&S để chỉ ra rằng bình thường không có kênh dẫn nối giữa D và S. b> n source (S) nn p nn p G Drain (D) a> n G D S Hình1.9: Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 28 b>Nguyên lý làm việc: n source (S) nn p nn p G Drain (D) a> n n source (S) nn p nn p G Drain (D) b> n n source (S) nn p nn p G Drain (D) c n - + Hình1.10: Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET Trong chế độ làm việc bình thường UDS > 0. Giả sử UGS = 0.khi đó kênh dẫn hoàn toàn không xuất hiện và giữa cực S và cực D lúc này là tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, điện áp xẽ rơi hoàn toàn trên tiếp giáp này, còn dòng qua cực gốc và cực máng sẽ rất nhỏ gọi là dòng rò. - Nếu điện áp điều khiển UGS < 0 thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển xẽ tích tụ các lỗ (P) do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng vẫn hầu như không có (hình 1.10- a.). - Khi điện áp điều khiển UGS > 0 và đủ lớn thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển xẽ tích tụ các điện tử, như vậy một kênh dẫn đã được hình thành, lúc này dòng điện giữa cực máng và cực gốc chỉ phụ thuộc vào điện áp UDS (hình 1.10-b.) - Trên cấu trúc MOSFET hình (hình 1.10- c.) ta thấy rằng giữa cực gốc và cực máng tồn tại một tiếp giáp p-n, tương đương với một diode ngược nối giữa D và S, đó chính là ưu điểm của MOSFET trong các sơ đồ sử dụng diode ngược trong mạch điện. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 29 c> Đặc tính ra của transistor MOSFET kênh N: 0 VS ID VGS = 3V VGS = 4,5V VGS = 6V VGS = 7,5V VGS = 9V Hình 1.11: Họ đặc tính ra của MOSFET kênh N Trên đường đặc tính ta thấy khi đặt điện áp điều khiển nhỏ hơn một mức nào đấy cỡ 3V thì giữa cực máng và cực gốc điện trở rất lớn dòng qua đó gần bằng không. Khi điện áp cỡ 6-7V thì MOSFET sẽ trong chế độ dẫn, thông thường người ta điều khiển MOSFET bằng diện áp cỡ 15V để giảm điện áp rơi trên 2 cực D và S. khi đó UDS gần như tỷ lệ với dòng ID. MOSFET tác động rất nhanh có thể đóng, mở với tần số trên 100KHZ. Khi MOSFET dẫn dòng thì điện trở rất nhỏ khoảng 0,1  đối với MOSFET -1000V và khoảng 1 với MOSFET -500V. Ngày nay người ta đã chế tạo được MOSFET với UDS tới 500V và ID tới hàng trục ampe. Vì vậy MOSFET được dùng nhiều để làm khóa điện tử vì chịu được tần số cao và nó giữ vai trò quan trong trong các thiết bị biến tần có khâu trung gian. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 30 d> Đặc tính đóng cắt của MOSFET Mosfet là phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên có thể đóng cắt với tần số cao. Tuy nhiên để đạt được thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển là rất quan trọng. Cơ chế ảnh hưởng đến thời gian đóng cắt của mosfet là các tụ ký sinh giữa các điện cực. Hình bên thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh được tạo ra giữa các miền bán dẫn trong cấu trúc bán dẫn của mosfet. Trong đó CGS được nạp đến giá trị UGSth thì mới xuất hiện dòng điện ID, còn CGD quyết định tốc độ đóng căt của mosfet. Các tụ này có giá trị thay đổi theo điện áp, chẳng hạn giá trị tụ CGD thay đổi theo điện áp UDS giữa giá trị điện dung mức thấp CDSL và điện dung mức cao CDSH như đặc tính hình bên. RGinG CGD CGS R D S CDS D S Mạch điện tương đương của Mosfet UDS CGD CGDH CGDL Sự phụ thuộc của giá trị điện dung tụ CGD vào điện áp UDS ** Quá trình mở mosfet Xét quá trình mở một mosfet với tải trở cảm như hình vẽ sau: RGinG CGD CGS R D S CDS D S RGEXT RDR iG iGS iGD US Ucc Udk L D0 Sơ đồ tương đương biểu diễn quá trình mở của mosfet Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 31 Trên sơ đồ thể hiện morsfet được điều khiển bởi đầu ra của một mạch driver có điện trở trong là Rdr được nối tiếp với một điện trở ngoài Rext trước khi nối vào cực điều khiển G có nội trở là RGin. Tại thời điểm t = 0 khi đó có một xung điều khiển dương cấp vào driver, như vậy đầu ra driver có một xung điều khiển dương nối vào điện trở Rext. Tại thời điểm ban đầu tụ CGD và CGS được nạp nên dòng điện IG tăng tức thời do quá độ và điện áp UGS tăng dần theo hằng số thời gian được xác định bởi )()(1 GDLGSGinGextdr CCRRRT  , lúc này tụ CGD đang ở mức thấp CGDL. và bằng giá trị điện áp nguồn US. t UGS 0 t IG 0 t UDS 0 t ID 0 UGth UGml t1 t2 t3 Dạng sóng u,i khi mở mosfet Trong khoảng 0 < t < t1 lúc này tụ điện CGD và CGS được nạp theo quy luật hàm mũ tăng dần đến giá trị ngưỡng UGth nên dòng IG giảm dần, điện áp UDS vẫn giữ nguyên bằng điện áp US còn dòng điện ID = 0. Khoảng thời gian này gọi là thời gian trễ khi mở. Từ thời điểm t1 khi đó điện áp UGS qua giá trị UGth nên dòng điện ID bắt đầu tăng dần, tuy nhiên điện áp UDS vẫn không đổi. Trong khoảng t1 < t < t2 lúc này dòng điện IG tiếp tục giảm, còn dòng ID tăng tuyễn tính rất nhanh từ giá trị 0 đến giá trị dòng tải. Bắt dầu từ thời điểm t2 trở đi UGS đạt đến một giá trị UGml gọi là điện áp mức miller nên dòng IG và IDS không đổi còn điện áp UGS giảm xuống rất nhanh. Khi UDS giảm thì giá trị tụ CGD tăng nên khoảng này dòng điều khiển chính là dòng nạp cho tụ CGD. Sau thời gian t3 lúc này điện áp UGS lại tiếp tục tăng theo hằng số thời gian Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 32 )()(2 GDHGSGinGextdr CCRRRT  vì giá trị tụ CGD tăng đến giá trị ở mức cao CGDH, khi đó xác định được giá trị UDS =IDS.RDson ** Quá trình khóa mosfet Xét quá trình khóa một mosfet với tải trở cảm như hình vẽ sau: RGinG CGD CGS R D S CDS D S RGEXT RDR iG iGS iGD US Ucc Udk L D0 Sơ đồ tương đương biểu diễn quá trình khóa của mosfet Khi tín hiệu điều khiển xuống mức thấp 0V thì đầu ra driver xuống mức không. Khi đó UGS bắt đầu giảm xuống theo hàm mũ với hằng số thời gian )()(2 GDHGSGinGextdr CCRRRT  trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, lúc này IG giảm dần và đổi chiều, UDS = UDSon còn dòng điện ID vẫn giữ nguyên bằng dòng điện tải. Khoảng thời gian từ 0 đến t1 gọi là khoảng thời gian trễ khóa (toff). t UGS 0 t IG 0 t UDS 0 t ID 0 UGth UGml t1 t2 t3 t4 Dạng sóng u,i khi khóa mosfet Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 33 Sau thời gian t1 khi đó UGS giảm về mức miller nên IG và ID không đổi còn điện áp UDS tăng nhanh từ giá trị UDSon về giá trị điện áp nguồn US. Bắt đầu từ thời điểm t2 khi đó UGS nhỏ hơn mức miller nên dòng điện IG và ID giảm dầnvề giá trị không tại thời điểm t4. e> Các thông số của mosfet - ID : dòng điện làm việc lien tục qua cực máng - IDM: Dòng điện cực đại qua cực máng - VDS : Điện áp làm việc cực đại trên cực máng và cực gốc - RDS: Điện trở kênh dẫn khi làm việc ở điều kiện định mức - VGS: Điện áp điều khiển Sau đây giới thiệu một vài thông số cơ bản của một mosfet thực tế (IRF460) Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 34 1.2.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) a>Cấu trúc và ký hiệu: - IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải của transistor thường BJT. Do vậy IGBT cũng là phần tử được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển rất nhỏ, dạng tín hiệu thường là các xung điện áp 15V. - Cấu trúc của IGBT cũng đưa ra ba cực Emitor, colector, và cực điều khiển G . Nhưng IGBT khác với MOSFET ở chỗ giữa E & C là cấu trúc bán dẫn p-n-p chứ không phải n-n. Có thể coi IGBT giống như một transistor được điều khiển bởi một MOSFET. b> c> P Emitor nn p nn p G Colector a> n P Emitor nn p nn p G Colector n i2 i2i1 C E G C E G Hình 1.12 a> Cấu trúc IGBT, b> Cấu trúc IGBT tương đương một tranzitor với một MOSFET, c> Ký hiệu IGBT b>Nguyên lý làm việc: -Phân cực cho IGBT sao cho UCE > 0, sau đó cấp vào cực G một điện áp điều khiển UGE > 0 với một giá trị đủ lớn. Khi đó hình thành một kênh dẫn với các hạt là điện tử giống như MOSFET. Các hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp p-n tạo nên dòng colector. -Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn transistor thường, trễ khi mở khoảng 0,15s , trễ khi khóa khoảng 1s. Công suất điều khiển IGBT rất nhỏ thường mở dưới dạng điện áp điều khiển là 15V còn dòng điện cỡ nA. Để mở thường cấp tín hiệu +15V, để khóa thường cấp tín hiệu là -15V. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 35 c> Các thông số của IGBT - UDS: Điện áp cực đại giữa cực máng và cực gốc - ID: Dòng điện cực máng chịu được lớn nhất khi làm việc liên tục - VGS: Điện áp điều khiển cực đại Dưới đây giới thiệu các thông số của một IGBT-K2611l Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 36 1.2.5 Thyristor 1.2.5.1.Cấu tạo và kí hiệu: -Thyristor là phần tử gồm có bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3 . Thyristor có ba cực anôt (A), catôt (K), và cực điểu khiển G. j2 j1 j3 KG b> §Æc tÝnh v«n - ampe cña thyristora> CÊu tróc vµ ký hiÖu cña thyristor n n p p U i Idt Iv 0 Uv,th Uth,max IG2  IG1  IG0 IG0 = 0 §ong dß Ung,max §ong dß A A K G Hình1.13: Cấu ttrúc, ký hiệu và đặc tính V-A của thyritstor 1.2.5.2.Đặc tính vôn – ampe. - Gồm hai phần: Phần đặc tính thuận nằm ở góc phần tư thứ nhất với UAK > 0, còn phần đặc tính ngược nằm ở góc phần tư thứ ba với UAK < 0. a>Trƣờng hợp IG = 0: * Khi UAK < 0 thì tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 phân cực thuận, khi đó dòng điện qua thyristor rất nhỏ. Gọi là dòng điện rò ngược . - Nếu thực hiện tăng UAK đến giá trị nhỏ hơn Ung,max thì dòng điện qua thyristor cũng vẫn rất nhỏ. Nếu cứ tiếp tục tăng đến giá trị UAK > Ung,max thì xẽ sẩy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện qua thyristor xẽ tăng lên rất lớn, quá trình này không đảo ngược lại được gây phá hỏng thyristor * Khi UAK > 0 khi đó tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực ngược, lúc này dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện rò thuận . Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 37 - Nếu ta thực hiện tăng UAK đến giá trị lớn hơn điện áp thuận lớn nhất Uth,max thì xẽ sẩy ra hiện tượng điện trở tương đương A- K đột ngột giảm xuống và đòng điện dễ dàng chảy qua thyristor, và giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua thyristor lớn hơn dòng đuy trì Idt thì thyristor xẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận ( giống như diode). Đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng điện có thể thay đổi lớn nhưng điện áp rơi trên thyristor gần như không đổi. b> Trƣờng hợp IG > 0 . *Khi UAK > 0 nếu đặt vào cực điều khiển dòng IG > 0 thì quá trình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ xớm hơn. Nếu dòng điều khiển càng lớn thì quá trình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ càng xớm hơn với UAK nhỏ hơn. Tuy nhiên dòng IG được giới hạn bởi nhà sản xuất. *Khi UAK 0 thì tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 được phân cực thuận nên dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện rò ngược. 1.2.5.3.Mở và khóa thyristor: + E R1 Rt T - IG IV S R2 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý mở thyristor UC T1 R2 T2 +E - + G1 G2 A B R1 Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý khóa thyristor Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 38 a>Mở thyristor: -Có 2 phương pháp kích mở thyristor: * Phương pháp thứ nhất là tăng UAK > Uth,max khi đó điện trở tương đương trong mạch A – K giảm đột ngột, dòng điện qua thyristor lúc đó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài. Phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế. * Phương pháp thứ hai là: phân cực cho UAK >0, sau đó thực hiện đưa một dòng điện có giá trị nhất định vào cực G. Khi đó thyristor xẽ chuyển từ trạng thái trở kháng cao sang thấp, nên có dòng điện đi qua thyristor. - Nếu dòng qua thyristor lớn hơn dòng duy trì thì thyristor tiếp tục duy trì dẫn dòng mà không cần xung điều khiển nữa. Phương pháp này chỉ cần mạch điều khiển có công suất rất nhỏ so với mạch lực. b>Khóa thyristor: -Để khóa thyristor lại cần phải giảm dòng qua A-K về dưới mức dòng duy trì (Idt), thường sử dụng bằng cách đặt một điện áp ngược lên thyristor trong thời gian tối thiểu gọi là khoảng thời gian phục hồi. trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa cathot và anot. Dòng điện này di chuyển các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp cho tụ điện tương đương tại tiếp giáp J1 và J3. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích di chuyển ngoài cấu trúc bán dẫn và thời gian nạp điện cho tụ tương đương tại J1 và J3. Như vậy quá trình khóa một thyristor có dạng gần giống như khóa diode. Thời gian phục hồi của thyritstỏ là một thông số quan trọng nó quyết định tần số làm việc của thyristor. Thông thường thời gian phục hồi có giá trị: tr = 5 -50s đối với thyritstor tần số cao và tr = 50 -200s đối với thyritstor tần số thấp. 1.2.5.4.Các thông số cơ bản của Thyristor: Các thông số chính cơ bản giống diode tuy nhiên để cụ thể hóa chúng tôi giới thiệu một vài thông số đặc trưng sau: - Giá trị dòng trung bình cho phép qua thyristor, IV,trb. Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ cấu trúc tinh thể bán dẫn của tinh thể thyristor không được vượt quá một giá trị cho Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 39 phép. Trong thực tế dòng điện chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn để làm mát tự nhiên, ngoài ra Thyristor còn có thể được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để làm mát nhanh hơn. Nói chung có thể lựa chọn dòng điện qua Thyristor theo các điều kiện làm mát sau: + Làm mát tự nhiên dòng sử dụng cho phép đến 1/3 IV,trb. + Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió dòng sử dụng cho phép đến 1/2 IV,trb. + Làm mát cưỡng bức bằng nước dòng sử dụng cho phép đến 100% IV,trb. - Điện áp ngƣợc cho phép lớn nhất Ung,max. Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristo. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào UAK luôn nhỏ hơn Ung,max. Ngoài ra còn phải đảm bảo một độ dự trữ điện áp, nghĩa là Ung,max phải được ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ. -Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor. tr (s). Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lê giữa anot – catot của thyristor sau khi dòng qua thyristor đã về bằng không, trước khi có thể có điện áp UAK dương mà thyristor vẫn khóa. Tr là thông số rất quan trọng của thyristor, nhất là khi sử dụng trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc, hoặc nghịch lưu độc lập. Trong đó luôn phải đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 – 2 lần tr. -Tốc độ tăng điện áp cho phép dt du (v/ s) Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù khi được 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 phần lớn điện áp được đặt lên tiếp giáp J2 như trên hình vẽ sau: Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 40 Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dầy của nó rộng ra, tạo nên vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dung CJ2. Khi đó điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có giá tri đáng kể, nó 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. j2 j1 j3 n n p p CJ2 i = CJ2 (du/dt) anot catot Hình 1.16: Hiệu ứng du/dt tác dụng như dòng điều khiển Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt các thyristor tần số thấp với các thyristor tần số cao. ở thyristor tần số thấp dt dU vào kgoảng 50  200V/s. Với các thyristor tần số cao dt dU có thể đạt đến 500  2000 V/s -Tốc độ tăng dòng điện cho phép dt di (A/ s). 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 chảy qua bắt đầu ở một số điểm gần ở cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa 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 điện ban đầu quá lớn, dẫn đến sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó có thể dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng điện cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp có giá trị dt di khoảng 50  100A/s. với các thyristor tần số cao có dt di khoảng Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 41 500  2000A/s. Trong các bộ biến đổi phải luôn có biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng điện luôn nhỏ hơn giá trị cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các phần tử bán dẫn với những điện kháng nhỏ, lõi không khí, hoặc đơn giản hơn là các lõi xuyến ferit được lồng lên nhau. Các lõi xuyến ferit được dùng rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn. Xuyến ferit còn có tích chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dân xcòn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không. Vì vậy điện kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức đi qua dây dẫn. Dưới đây giới thiệu các thông số cơ bản của một thyristor - T7000030: Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 42 1.2.5.5 Đặc tính điều khiển Đặc tính điều khiển cho quan hệ giữa điện áp UG theo dòng điện IG có dạng gần giống như ở Diode. Đối với các Thyristor có cùng một series, do sự phân tán của các đặc tính trong các miền P2 và N2, các đặc tính này tạo nên một miền giữa các giới hạn max và min của điện trở. max min UG iGIGM UGM UG IG 0 PGM Hình 1.17: Đặc tính điều khiển của Thyristor Trên đặc tính điều khiển miền gạch chéo đảm bảo Thyristor được mồi chắc chắn. Đường nét đứt là đường giới hạn công suất điều khiển (UGM.IGM) cực đại. UGM giới hạn điện áp điều khiển cực đại IGM giới hạn dòng điện điều khiển cực đại IG dòng điện điều khiển nhỏ nhất ở nhiẹt độ bất kỳ UG điện áp điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ Đặc tính dòng - áp của Thyristor ở trạng thái dẫn có thể được làm gần đúng bằng đoạn thẳng, nên ta có: UT = UO + r.iT Khi nhiệt độ tăng thì r tăng còn UO giảm. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 43 1.2.6. GTO (GATE TURN-OFF Thyristor ) Thyristor thường được giới thiệu ở mục trên được sử dụng khá rộng rãi trong các mạch chính lưu có điều khiển từ công suất vài W đến vài trăm MW. Tuy nhiên trong các mạch chỉnh lưu các thyritstor được khóa lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới khi về không và chuyển sang giá trị âm. Bên cạnh đó các thyristor cũng được dùng khá phổ biến trong các mạch xung áp một chiều hay nghịch lưu với công suất lớn. Trong các bộ biến đổi này thì thyristor luôn làm việc với điện áp một chiều nên việc khóa chúng lúc này không thể khóa tự nhiên như trong các bộ chỉnh lưu mà đòi hỏi cần phải có các bộ chuyển mạch cưỡng bức khá phức tạp, kồng kềnh và tổn hao lớn làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Trước vấn đề như vậy thì cách đây không lâu vào những năm 80 của thế kỷ trước việc khóa thyristor dùng các chuyển mạch được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đẻ khắc phục nhược điểm trên. Trên cơ sở đó GTO đã được ra đời, đây là loại van công suất đóng cắt được bằng cực điều khiển nhưng có khả năng chịu được dòng điện và điện áp cao. Để hiểu rõ hơn về GTO chúng ta nghiên cứu về cấu trúc và các phương pháp điều khiển ở phần sau: a> Cấu trúc và ký hiệu: n + P + n + P + P + P + n + n + n + p n j1 j2 j3 Cùc ®iÒu khiÓn anot canot n + Hình 1.18: Cấu trúc GTO G A G K An«t Cat«t phô Cat«t Hình 1.19: Ký hiệu GTO - Cấu trúc GTO phức tạp hơn so với các thyristor thường, và ký hiệu của GTO cũng thể hiện được tính chất điều khiển hoàn toàn của nó. Đó là dòng điều khiển đi vào dùng để mở GTO, còn dòng điều khiển đi ra dùng để khóa GTO. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 44 - Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp P, anôt được bổ sung các lớp bán dẫn kiểu n +. Dấu + bên cạnh ký hiệu kiểu dẫn điện p (lỗ), hoặc n (điện tử) được chỉ ra rằng mật độ các hạt mang điện tích được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở suất của vùng này khi dẫn. Cực điều khiển của GTO được nối vào lớp p thứ ba, nhưng được chia nhỏ và phân bố đều so với n+ của anot. Nếu UAK > 0 khi chưa có dòng điều khiển thì J1 và J3 được phân cực thuận, nên toàn bộ điện áp được đặt lên tiếp giáp J2 giống như cấu trúc SCR. Tuy nhiên với cấu trúc phức tạp như trên thì GTO có nhược điểm là khả năng chịu điện áp ngược là rất thấp. b> Phƣơng pháp kích mở, khóa và đặc điểm ứng dụng của GTO * Phƣơng pháp mở GTO Để mở một GTO thì việc thực hiện cũng giống như SCR thông thường, tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì của GTO cao hơ so với SCR. Do vậy biên độ dòng điều khiển đòi hỏi phải có giá trị cao hơn và thời gian duy trì xung điều khiển cũng đòi hỏi phản lớn hơn. Khi GTO đã dẫn thì going SCR không cần duy trì xung điều khiển nếu vẫn đảm bảo được phân cực thuận (UAK>0). Như vậy GTO cũng được điều khiển bởi các xung có thời gian ngắn nên công suất điều khiển không đáng kể. Đối với GTO, việc kích mở cho dòng điện chảy qua nó và việc cắt dòng điện đều được thực hiện từ cực điều khiển G. Do đó, trong các thiết bị biến tần và các thiết bị băm điện áp công suất lớn, thay vì các thyritstor thông thường, người ta thường dùng các GTO, vì nó có thể loại bỏ được các phần tử chuyển mạch. GTO - trong thập kỷ 80, có thể chịu được dòng điện 800A (trị hiệu dụng) và điện áp 4500V (trị cực đại). * Phƣơng pháp khoá GTO: Để khóa GTO cần một xung dòng điện âm có dạng như hình 1.20 Xung dòng điện này đòi hỏi phải có biên độ lớn khoảng 20 đến 25% biên độ của dòng điện iAK, một yêu cầu nữa là tín hiệu điều khiển đòi hỏi tín hiệu điều khiển phải có độ xườn dốc lớn khoảng 0,5 đến 1 s. Để hiểu qúa trình khóa của một GTO ta có thể giải thích như sau: Khi GTO đang dẫn dòng thì phần l[ns các điện tích được tích tụ tại tiếp giáp J2 cho phép các điện Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 45 tích di chuyển từ anot đến cathot. Khi có một xung điều khiển âm kích vào cực G với biên độ dòng lớn nó xẽ lấy đi một lượng các điện tích qua cực điều khiển, do vậy vùng dẫn điện bị thu hẹp lại về phía n+ . Kết quả là dòng điện iAK sẽ bị giảm dần về không, lúc này dòng điều khiển cần duy trì thêm một thời gian ngắn đề GTO khóa hoàn toàn. Để minh họa cho một mạch khóa GTO đơn giản chúng ta phân tích một sơ đồ khóa GTO sau: E Uc 0 T1 R1 T2 C1 DZ1( 12V) G C2 A GTO K Mạch điều khiển iG t Xung điều khiển mở GTO Xung điều khiển khóa GTO Dạng xung điều khiển Hình 1.20: Mạch điều khiển và dạng xung dòng điện mở và khóa GTO. Khi Uc là một xung áp dương, tranzitor T1 mở, dòng điện từ nguồn E chảy vào cực G qua T1, R1, C1. GTO mở cho dòng chảy qua. Tụ điện C1 được nạp đến điện áp 12V. Để khoá GTO, người ta cho Uc là một xung áp âm, T1 bị khoá, T2 mở, tụ điện C1 phóng điện qua T2 - K - G - C1. GTO bị khoá lại. * Đặc điểm ứng dụng của GTO * *Ƣu điểm của GTO: - Cấu hình mạch công suất đơn giản hơn. - Thể tích và trọng lượng nhỏ hơn. - Không gây ra nhiễu điện và nhiễu âm. - Không có tổn thất chuyển mạch, và hiệu suất cao. - So với tranzitor công suất thì GTO chịu được dòng và áp lớn hơn nhiều. ** Nhƣợc điểm GTO - Giá thánh cao - Cần biên độ dòng điều khiển lơna và độ dốc cao - Tần số làm việc thấp Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 46 c> Các thông số cơ bản của GTO Về cơ bản các thông số của Gto cũng giống như SCR, tuy nhiên để rõ hơn chúng ta xem bảng thông số cảu một GTO sau : Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 47 1.2.7. Triac (Triode Alternative Current) a. Cấu trúc và ký hiệu P2 N1 P1 N2 N3 N1 P1P2N2 GT1 T2 (-)(+) (-) (+)(-) (+) J1 J2 J3 T2 T1 G Hình 1.21: Cấu trúc và ký hiệu của Triac U i Idt 0 IG2  IG1  IG0 IG0 = 0 §ong dß IG0 = 0 Hình 1.22: Đặc tính vôn - ampe của Triac -Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp tiếp giáp, có đường đặc tính vôn – ampe đối xứng, nhận góc mở  trong cả hai chiều. Như vậy triac được dùng để làm việc trong các mạch điện xoay chiều, và có tác dụng như hai thyristor đấu song song ngược. Vì vậy định nghĩa dòng thuận hay dòng ngược đều không có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược. Việc kích dẫn Triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G. Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng qua Triac. Triac sẽ ngắt theo quy luật như đã giải thích đối với Thyristor. b. Đặc tính V-A Đặc tính V-A của Triac tương tự như của Thyristor do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều đặc tính của Triac có dạng đối xứng qua tâm toạ độ. Việc kích mở Triac có thể chia ra làm các trường hợp: - Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT2T1> 0 - Mở bằng xung điều khiển UGT1 0 - Mở bằng xung điều khiển UGT1 0 - Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT1T2> 0 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 48 Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tuỳ ý, nhưng thực tế việc kích thuận lợi hơn khi dòng kích dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòng qua triac âm. c> Các tham số cơ bản -Dòng điện định mức Iđm (A):dòngđiện hiệu dụng cho phép đi qua triac trong một thời gian dài khi triac mở. - Điện áp ngược cực đại Ungmax (V): điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào triac trong một thời gian dài khi triac khoá. - Điện áp rơi trên triac U (V): điện áp rơi trên triac khi triac mở với dòng qua triac bằng dòng điện định mức. -Dòng điện điều khiển Ig: dòng điện điều khiển đảm bảo mở triac. Để hiểu rõ hơn chúng ta xem xét các tham số của một triac cụ thể: Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 49 1.2.8. MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR) a. Cấu tạo và chức năng MCT có cấu tạo được kết hợp công nghệ của Thyristor với ưu điểm tổn hao dẫn điện thấp, khả năng chịu áp cao và với công nghệ của MOSFET có khả năng đóng ngắt nhanh. §ãng Ng¾t 0 iA UAK §ãng Ng¾t 0 iA UAK Hình 1.2.24 Hình vẽ 1.2.25 Mô tả cấu trúc cắt ngang của một MCT, trong đó MOSFET được tích hợp trong cấu trúc của SCR để thực hiện điều khiển quá trình đóng căt linh kiện này. MCT được điều khiển qua cổng MOS. Trong công nghiệp thường xuất hiện các MCT loại P, ký hiệu và đặc tính của MCT mô tả như trên hình 1.2.24 Để kích dẫn MCT, xung điện áp âm được đưa vào giữa cổng G-A. Điều này dẫn đến việc đóng On-FET (P- FET) trong khi đó cổng off-FET (n-FET) vẫn bị Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 50 khoá và kích thích lớp cổng đệm Emitter của transistor npn Q1. Transistor Q1 và Q2 sau đó chuyển sang trạng thái dẫn điện. p p- p A K n n n G Kªnh 3 Kªnh 4 Q 2 Q1 A G K Q3Q 4 Off -PET on- PET Hình 1.2.25 Để ngắt MCT, điện áp cổng G-A chuyển sang giá trị dương. Điều này làm Off-FET Q4 dẫn điện và làm nối tắt mạch Emitter-lớp đệm của Transistor Q2 vì thế bị tắt làm MCT bị ngắt. MCT đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện (như GTO) và thấp hơn cả IGBT. Phương pháp điều khiển dùng xung điện áp (như MOSFET, IGBT). Mạch điều khiển đơn giản hơn so với GTO. Vì thế, MCT đang dần trở thành linh kiện điều khiển ngắt lý tưởng cho các tải có yêu cầu độ sụt áp thấp, tổn hao thấp và đóng ngắt nhanh. Khả năng dẫn dòng điện của MCT thấp hơn so với GTO b. Khả năng chịu tải MCT được áp dụng cho các trường hợp yêu cầu điện trở và độ tự cảm nhỏ với khả năng chịu được giá trị dòng điện lớn và tốc độ tăng trưởng dòng điện cao. MCT có khả năng chịu được độ tăng dòng điện lên tới 1.400kA/s và giá trị dòng đỉnh lên tới 14kA, tính quy đổi trên một đơn vị diện tích là 40kA/cm2 đối với xung dòng điện. Các MCT được chế tạo dưới dạng tích hợp từ 4-6 linh kiện trở lên MCT được sử dụng làm thiết bị phóng nạp điện cho máy bay, xe ôtô, tàu thuỷ, nguồn cung cấp, tivi. MCT cũng được sử dụng làm công tắc chuyển mạch mềm (soft switching) trong các mạch dao động cộng hưởng. Khả năng chịu di/dt cao và giá trị dòng lớn mở ra hướng phát triển dùng MCT chế tạo các máy cắt với ưu điểm gọc nhẹ, giá thành hạ và đáp ứng nhanh so với các máy cắt bán dẫn hiện Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 51 tại. MCT tích hợp còn được sử dụng trong các hệ truyền động máy kéo trong giao thông vận tải. 1.2.9. MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR) a. Cấu tạo và chức năng Linh kiện MTO Thyristor được phát triển bởi hãng SPCO (Silicon Power Coperation) trên cơ sơ công nghệ GTO và MOSFET. Chúng khắc phục các nhược điểm của GTO liên quan đến công suất mạch kích, mạch bảo vệ và các hạn chế của tham số du/dt. Không giống như IGBT tích hợp cấu trúc MOS phủ lên toàn bộ tiết diện bán dẫn, MTO đặt MOSFET trên phiến silicon. p n+ n p n+ A KG turn on turn off G turn off K turn on A G Q 2 Q 1 A K G turn off turn on Hình 1.2.26 Các linh kiện có cấu trúc tương tự thyristor nhưng MTO và GTO thường được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu công suất lớn nhờ ở khả năng hoạt động như một công tắc hai trạng thái lý tưởng có tổn hao thấp ở cả hai trạng thái “on” và “off”. Cấu trúc MTO gồm bốn lớp và hai cổng điều khiển: một kích đóng và một kích ngắt. Tại hai cổng này lớp kim loại được ghép trên lớp p. MTO được kích đóng bằng xung dòng điện trong khoảng thời gian 5-10s vào cổng turn on G1, tương tự như khi kích GTO. Xung dòng này sẽ cung cấp dòng điện vào lớp đệm của Transistor n-p-n Q1 mà dòng qua collector của nó sẽ cung cấp dòng đệm cho transitor n-p-n Q2 và quá trình tái sinh diễn ra sau đó tạo thành trạng thái dẫn điện của MTO. Để ngắt dòng điện qua MTO, cần đưa một xung điện áp khoảng 15V vào cổng “off” G2 tương tự như ngắt MCT. Xung điện áp trên sẽ làm cấu trúc mạch FET Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 52 dẫn điện, làm nối tắt, mạch emitter và cổng kích transistor n-p-n Q1. Do đó làm giảm khẳ năng dẫn lớp emitter và lớp đệm của transistor Q1 và quá trình tái sinh sẽ dừng lại. So với trường hợp GTO phải sử dụng xung dòng âm rất lớn để dập tắt quá trình tái sinh của Transistor Q1, quá trình ngắt dòng của MTO diễn ra nhanh hơn nhiều (1-2s so với 10-20s). MTO tắt dòng với thời gian phục hồi ngắn hơn nhiều so với GTO, do đó tổn hao tương ứng là gần như được loại bỏ và đáp ứng nhanh hơn so với GTO Những ưu điểm trên làm giảm giá thành chế tạo và tăng độ tin cậy khi hoạt động. b. Khả năng chịu tải MTO thích hợp cho các truyền động công suất lớn, điện áp cao (3kV cho đến 10kV), dòng điện > 4000A, độ sụt áp thấp (thấp hơn nhiều so với IGBT) và cho công suất trong phạm vi từ 1 MVA đến 20MVA do khả năng điều khiển đơn giản và chịu được áp khoá lớn. MTO có thể được sử dụng trong các thiết bị điều chỉnh công suất trong hệ thống điện (FACTS Controller) làm việc trên nguyên lý PWM. Các nguồn điện dự phòng công suất lớn (UPS) cũng là một hướng áp dụng của MTO. Khả năng điều khiển cắt nhanh và dễ dàng của MTO làm cho nó có thể ứng dụng thuận lợi làm các thiết bị cắt dòng điện DC và dòng điện AC. 1.2.10. ETO (EMITTER TURN OFF THYRISTOR) Giống như MTO, ETO được phát triển trên cơ sở kết hợp các công nghệ của GTO và MOSFET. ETO được phát minh bởi trung tâm Điện tử công suất Virgina hợp tác với hãng SPCO. Ký hiệu ETO và mạch tương đương của nó được vẽ trên hình 1.2.27 T1 turn off K turn on n-MOSFETp-MOSFET T2 turn on A Hình 1.2.27 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 53 Linh kiện MOSFET T1 mắc nối tiếp với GTO và linh kiện MOSFET T2 mắc nối tắt giữa cổng kích của GTO và linh kiện MOSFET T1. Thực tế T1 bao gồm một số n-MOSFET và T2 bao gồm một số p-MOSFET, chúng được thiết kế bao quanh GTO để giảm tối đa cảm kháng giữa các linh kiện MOSFET và cổng Cathode của GTO. ETO có hai cổng điều khiển: một cổng của riêng GTO được sử dụng để đóng nó và cổng thứ hai là cổng kích vào cổng MOSFET nối tiếp để ngắt ETO. Khi áp đặt một điện thế để kích ngắt ETO lên cổng P-MOSFET, n-MOSFET bị tắt và nó đẩy toàn bộ dòng điện đang dẫn qua mạch cathode (lớp emitter n của transistor n-p-n trong cấu tạo GTO) sang mạch cổng kích của ETO với sự hỗ trợ của MOSFET T2. Do đó quá trình tái sinh trong linh kiện kết thúc làm linh kiện bị ngắt. Điểm thuận lợi do cấu trúc chứa MOSFET nối tiếp mang lại là nó tạo điều kiện để chuyển dòng điện từ cathode sang mạch cổng thực hiện hoàn toàn và nhanh chóng, cho phép ngắt đồng thời tất cả các cathode trong cấu hình linh kiện. Điểm không thuận lợi là linh kiện nối tiếp này phải dẫn toàn bộ dòng điện qua Cathode của GTO vì thế làm tăng thêm độ sụt áp và tổn hao. Tuy nhiên, các MOSFET này có điện áp thấp khi dẫn (0,3-0,5V) nên các hệ quả trên không quan trọng. ETO về cơ bản gồm GTO có trang bị thêm linh kiện phụ dạng MOSFET, nó giúp ngắt GTO nhanh, vì vậy giảm đáng kể tổn hao mạch cổng. Với đặc điểm như vậy chi phí mạch điều khiển và mạch bảo vệ giảm đáng kể, đồng thời nâng cao khả năng công suất của GTO. 1.2.11. IGTC (Integrated Gate Commutated Thyristor) a, Cấu tạo và chức năng Sự cải tiến công nghệ chế tạo GTO Thyristor đã dẫn đến phát minh công nghệ IGTC hay GCT (Gate-Commutated Thyristor) là một dạng phát triển của GTO với khả năng kéo xung dòng điện lớn bằng dòng định mức dẫn qua Cathode về mạch cổng trong 1s để đảm bảo ngắt nhanh dòng điện. Cờu trúc của GCT và mạch tương đương của nó giống như của GTO như hình vẽ sau: Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 54 IGCT là linh kiện gồm GCT và có thêm một số phần tử hỗ trợ, bao gồm cả board mạch điều khiển và đôi khi có thêm cả diode ngược. Để kích đóng GCT xung dòng điện được đưa vào cổng kích làm đóng GCT tương tự như trường hợp GTO Để kích ngắt IGCT, mối nối pn base-emitter được phân cực ngược bằng cách cung cấp điện áp nguồn một chiều. Điều này làm triệt tiêu dòng điện qua Cathode vì toàn bộ dòng điện đi qua Cathode sẽ được đẩy sang mạch cổng với tốc độ rất nhanh và biến GCT trở thành một transistor pnp. Để có thể tạo ra dòng điện qua mạch cổng tăng nhanh và đủ lớn GCT được chế tạo đặc biệt để giảm cảm kháng mạch cổng đến giá trị nhỏ nhất. Vấn đề mấu chốt của GCT là tạo khả năng tăng nhanh dòng điện qua cổng. Điều này đạt được bằng ống dẫn điện đồng trục qua mạch cổng cathode và công nghệ mạch điều khiển nhiều lớp. Chúng cho phép dòng cổng tăng nhanh với tốc độ 4kA/s khi điện thế cổng cathode ở mức 20V. Trong thời gian 1s, Transistor npn của GTO bị ngắt hoàn toàn và cực cổng của transistor pnp còn lại bị mở làm GCT bị ngắt. Do việc thực hiện bằng xung dòng rất ngắn nên công suất tổn hao mạch cổng được giảm đến mức tối thiểu. Công suất tiêu thụ của GCT giảm đi khoảng 5 lần so với trường hợp GTO. Lớp p phía anode được làm mỏng và làm giàu hạt mang điện chút ít để cho phép khử các hạt mang điện phía anode nhanh hơn trong thời gian ngắt. IGCT có thể tích hợp diode ngược bằng mối nối nnp. Diode ngược cần thiết trong cấu tạo của các bộ nghịch lưu áp. b> khả năng chịu tải Öu ñieåm chính cuûa IGCT theå hieän ôû caùc maët sau:-khaû naêng chòu aùp khoùa cao ñeán 6kV ( döï kieán seõ taêng leân ñeán 10kV) vôùi ñoä tin caäy cao; toån hao thaáp khi daãn ñieän bôûi coù khaû naêng daãn nhö thyristor; khaû naêng giôùi haïn doøng ngaén maïch söû duïng maïch baûo veä chöùa cuoän khaùng haïn Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 55 cheá di/dt (turn on snubber) vaø giaù thaønh thaáp do taän duïng coâng ngheä silicon vôùi möùc tích hôïp naêng löôïng cao. 1.2.2. Khả năng làm việc của các phần tử bán dẫn công suất cơ bản Để nhanh chóng đánh giá và nhận biết được khả năng và phạm vi làm việc các van bán dẫn công suất ta có thể xét tương đối thông qua bảng các thông số van bán dẫn công suất sau: Để trực quan ta cũng có thể so sánh tương đối khả năng làm việc các van bán dẫn công suất thông qua đồ thị sau: Hình 1.23: Đồ thị mô tả tương đối khả năng làm việc các van bán dẫn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 56 1.3. Câu hỏi và bài tập chƣơng 1 1. Trình bày về sự phân cực của mặt ghép P-N. 2. Trình bày cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của điốt. 3. Trình bày cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của Transitor lưỡng cực. 4. Trình bày cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của Transitor MOS công suất. 5. Trình bày cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của tiristo. 6. Trình bày về quá trình mở cho dòng chảy qua của Tiristo. 7. Trình bày về quá trình khoá không cho dòng chảy qua của Tiristo. 8. Trình bày quá trính mở và khoá GTO? 9. Trình bày nguyên lý làm việc và đặc tính V-A của triac? 10. So sánh khả năng hoạt động của các van công suất. 11. So sánh Transistor Bipolar với Mosfet. 12. So sánh SCR với GTO. 13. Liệt kê các tham số của Transistor công suất. 14. Hãy tra cứu, phân tích các thông số kỹ thuật của van công suất IRF150; NEC 5P4M; BTA41-600B; 6MBI100S-060; 4MBI100T-060 15. Phân tích đường đặc tính động của diode công suất 16. Phân tích đường đặc tính động của BJT công suất 17. Phân tích đường đặc tính động của mosfet công suất 18. Hãy điền đúng (sai) vào các gợi ý sau: Nội dung Đáp án 1. Các bộ biến đổi công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn? Đúng 2. Các bộ biến đổi điện tử công suất ít được sử dụng ngày nay? Sai 3. Điện tử công suất là một ngành học Sai 4. Điện tử công suất chỉ áp dụng cho sinh viên ngành điện Sai 5. Điện tử công suất chỉ được dùng để đóng cắt thiết bị điện Sai 6. Điện tử công suất chỉ có 4 bộ biến đổi cơ bản (AC-DC; AC-AC; DC-DC; DC-AC) Đúng 7.Các van công suất chỉ làm việc ở chế độ đống cắt Đúng 8. Các van công suất gồm có các van không điều khiển, điều khiển hoàn toàn và bán điều khiển Đúng Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 57 9. Diode là van công suất không điều khiển Đúng 10. Thyitstor là van công suất điều khiển hoàn toàn S 11. Tranzitor là van công suất điều khiển hoàn toàn Đ 12. Điode chỉ cho dòng qua một chiều Đ 13. Khi chọn van diode chỉ cần chọn các giá trị dòng điện, điện áp S 14. Diode tự khóa khi bị phân cực ngược Đ 15. Thyritstor dẫn khi có xung điều khiển S 16. Thyritstor khóa khi mất xung điều khiển S 17. BJT loại NPN dẫn khi có xung dương cấp vào cực (B) và UCE > 0 Đ 18. BJT loại PNP dẫn khi có xung dương cấp vào cực (B) và UEC > 0 S 19. BJT được điều khiển bằng dòng điện Đ 20. BJT có tần số làm việc cao hơn IGBT Đ 21. Mosfets là van công suất có tần số làm việc cao nhất Đ 22. Thyristor là van công suất có khả năng làm việc với dòng điện và điện áp cao nhất so với các van bán dẫn công suất khác Đ 23. Mosfets công suất chủ yếu dung loại kênh N, kênh cảm ứng Đ 24. Mosfets chỉ dẫn dòng điện xoay chiều S 25. Van triac dẫn dòng điện theo hai chiều Đ 26. Hai SCR tương đương một triac Đ 27. Điode đệm được dung với tải dung kháng S 28. Điều khiển Mosfets cần dòng lớn và điện áp nhỏ S 29. GTO là SCR có thể khóa bằng cực điều khiển Đ 30. Triac chỉ mở khi được phân cực thuận và có xung điều khiển dương S 31. IGBT được ghép tương đương bởi BJT-NPN với Mosfets Đ 32. Điều khiển cho GTO và SCR là như nhau Đ 33. Điều khiển cho Mosfets và IGBT là như nhau Đ 34. Khi van công suất làm việc không gây tổn hao S 35. Xét chi tiết khi các van công suất khóa có dòng điện rất nhỏ đi qua van Đ 36. Điện áp rơi trên van bán dẫn công suất khi làm việc càng cao càng tốt S 37. Các van bán dẫn không cần phải làm mát S Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 58 38. Điện áp điều khiển cho IGBT thường là +5V S 39. IGBT giá thành rẻ hơn nhiều so với BJT S 40. Van công suất chế tạo bằng vật liệu Si có khả năng chịu điện áp và nhiệt độ cao hơn vật liệu dung Ge Đ 41. Khi làm việc dòng điện lớn điện áp thấp nên chọn van công suất làm bằng Ge Đ 42. Triac thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu S 43. Trong mạch một chiều một SCR đang dẫn nếu mất xung điều khiển nó sẽ khóa lại S 44. SCR là thyritstor Đ 45. Điode đệm và diode hoàn năng lượng, diode không là một loại Đ 19. Hãy ghi tên và vẽ lại ký hiệu các van bán dẫn công suất đã đƣợc học vào bảng sau Tên van công suất Ký hiệu Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Van bán dẫn công suất 59 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 60 Chương II MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN 2.1. Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu 2.1.1. Khái niệm: Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều. 2.1.2. Phân loại và đặc điểm mạch chỉnh lưu: - Tùy theo số pha của nguồn điện xoay chiều phía đầu vào mạch chỉnh lưu mà có thể chia ra thành mạch chỉnh lưu 1 pha, 3 pha hay m pha: - Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa dây pha và dây trung tính, thì mạch chỉnh lưu gọi là sơ đồ hình tia. Còn nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa các dây pha thì mạch chỉnh lưu gọi là sơ đồ hình cầu. * Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu hình tia m pha là: - Số van chỉnh lưu bằng số pha của nguồn xoay chiều. - Các van có số điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn xoay chiều. Nếu điện cực nối chung là Katốt thì sơ đồ được gọi là Katốt chung, còn nếu điện cực nối chung là Anốt ta có sơ đồ nối Anốt chung. - Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính, trung tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu. * Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu cầu m pha: - Số van chỉnh lưu bằng 2 lần số pha của nguồn xoay chiều, trong đó có m van có Katốt nối chung được gọi là nhóm van Katốt chung và trên sơ đồ ta kí hiệu bởi chỉ số lẻ, m van còn lại có anốt nối chung nên gọi là nhóm van anốt chung và trên sơ đồ ta kí hiệu bằng chỉ số chẵn. - Mỗi pha nguồn xoay chiều nối với hai van, một ở nhóm A chung và một ở nhóm K chung. - Điểm nối chung của các van nối K chung và nối A chung là 2 điện cực của điện áp ra. - Nếu sơ đồ chỉnh lưu dùng toàn diode thì gọi là sơ đồ không điều khiển. Nếu sơ đồ chỉnh lưu dùng toàn thyristor thì gọi là sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển hay điều khiển hoàn toàn. Còn sơ đồ chỉnh lưu dùng cả thyristor và diode thì gọi là sơ đồ bán điều khiển. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 61 - Kết hợp các phương pháp và đặc điểm phân loại như trên một sơ đồ chỉnh lưuchúng ta tàm thời phân loại theo sơ đồ cấu trúc phía sau: Hình 2.1: Một số sơ đồ chỉnh lưu thường gặp R id D u2 ud Hình 2.2: Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển R L D0 T u2u1 Hình 2.3: Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển u1 D1 u21 Id ud BA D2 u22 Z A B C I21 I22 Hình 2.4: Mạch chỉnh lưu hình tia một pha 2 nửa chu kỳ không điều khiển L R T1 T2 u21 u22 u1 i21 id i22 Hình 2.5: Mạch chỉnh lưu hình tia một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển u D1 D2 D3 ud L R i d uA uB uc iA iC iB a ub uc u Hình 2.6: Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha T1 T2 T3 ud L R id u A uB uc iA iC iB ua ub uc i1 i2 i3 Hình 2.7: Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 62 không điều khiển có điều khiển D1 D 4 D3 D2 u2 u i1 i2 i d d Rdu1 Hình 2.8:Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển T1 T3 T2 T4 u1 u2 u R Ld i1 i2 d d id Hình 2.9: Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha điều khiển hoàn toàn ia ib ic D4 D 6 D2 D1 D3 D5 R ud id ua ub uc E L + - Hình 2.10: Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không điều khiển Q L1 N L2 L3 T1 T3 T5 Rd T4 T6 T2 G4 G6 G2 G1 G3 G5 uL1' uL2' uL3' id Ud Hình 2.11: Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha điều khiển hoàn toàn u1 u2 u R Ld i1 i2 d d id T1 T2 D1 D2 Hình 2.12: Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển Q L1 N L2 L3 T1 T2 T3 Rd D1 G1 G3 G5 ua ub uc id Ud D2 D3 E L Hình 2.13: Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha bán điều khiển 2.1.3.Cấu trúc mạch chỉnh lưu: Trong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dáng cũng như tính năng. Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các bộ phận sau: + Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại. + Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn một chiều. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 63 + Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh lưu có chất lượng tốt hơn. + Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thường dùng để đo dòng điện, điện áp, công suất. + Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển, nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnh lưu. + Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích từ máy điện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điện động E, đôi khi tải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt...vv. Dưới đây minh họa sơ đồ cấu trúc của một bộ chỉnh lưu: (1) (2) (3) T¶i mét chiÒu M¹ch ®o l-êng M¹ch ®iÒu khiÓn Ud, Id UAC M¸y biÕn ¸p ChØnh l-u Läc Hình 2.14: Cấu trúc chung mạch chỉnh lưu 2.1.4. Luật đóng mở các van công suất trong mạch chỉnh lưu  Trường hợp mạch chỉnh lưu hình tia 1. Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Để đơn giản cho việc nghiên cứu nguyên lí làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia, trước tiên ta xét với sơ đồ không điều khiển và nghiên cứu loại sơ đồ đấu các van nối K chung. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 64 Qua nghiên cứu người ta thấy rằng: ở chế độ dòng qua tải là liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì ở một thời điểm bất kỳ khi bộ chỉnh lưu đang làm việc trong sơ đồ luôn có một van dẫn dòng, đó là van nối với điện áp pha dương nhất. Mặt khác với hệ thống điện áp xoay chiều m pha thì trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn mỗi pha sẽ lần lượt dương nhất trong khoảng thời gian 1/m chu kỳ, do vậy mà mỗi van trong sơ đồ sẽ dẫn dòng một khoảng bằng 1/m chu kỳ trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn. Ta giả thiết rằng sụt áp trên Diode hoặc Thyristor khi mở (dẫn dòng) bằng không. Như vậy thời điểm mà điện áp trên van bằng không và có xu hướng chuyển sang dương là thời điểm van (Diode) bắt đầu mở, thời điểm mà Diode trong sơ đồ chỉnh lưu bắt đầu mở được gọi là thời điểm mở tự nhiên đối với van công suất trong sơ đồ chỉnh lưu. Thời điểm mở tự nhiên đối với van công suất trong sơ đồ chỉnh lưu ba pha các van nối K chung chậm sau thời điểm điện áp của pha nối van bằng không và bắt đầu chuyển sang dương một góc độ điện bằng 0, với  0 được xác định như sau: 0 = /2 – /m Mỗi Diode trong sơ đồ bắt đầu mở tại thời điểm mở tự nhiên và sẽ khoá lại tại thời điểm mở tự nhiên của van tiếp theo. Điện áp chỉnh lưu sẽ lặp lại m lần giống nhau trong một chu kỳ nguồn xoay chiều. Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anốt chung, khi sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua chuyển mạch thì tại một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ có một van mắc với pha có điện áp âm nhất dẫn dòng. Thời điểm mở tự nhiên đối với các van trong sơ đồ này chậm sau thời điểm điện áp của pha mắc với van bằng không và chuyển sang âm một góc độ điện cũng bằng 0. 2. Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển Trong trường hợp này các van chỉnh lưu là các Thyristor. Như đã biết để chuyển Thyristor từ trạng thái khoá sang trạng thái mở cần phải có đủ hai điều kiện: + Điện áp giữa A và K phải dương (thuận) + Có tín hiệu điều khiển đặt vào cực G Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 65 Do đặc điểm vừa nêu trên mà trong sơ đồ này ta có thể điều khiển được thơì điểm mở của các van trong một giới hạn nhất định. Cụ thể là trong khoảng thời gian có điều kiện mở thứ nhất là có điện áp thuận (từ thời điểm mở tự nhiên đối với van cho đến sau thời điểm này một nửa chu kỳ), ta cần mở van ở thời điểm nào thì ta truyền tín hiệu điều khiển đến van ở thời điểm đó và điều nay được thực hiện với tất cả các van trong sơ đồ. Như vậy nếu ta truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm sau thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện là  thì tất cả các van trong sơ đồ sẽ mở chậm so với thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện là  và đường cong điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều sẽ khác so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển, do vậy giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ thay đổi. Vậy ta có thể thay đổi thành phần một chiều của điện áp trên tải nhờ thay đổi thời điểm mở van, tức là thay đổi giá trị góc , Trong sơ đồ chỉnh lưu thì giá trị góc mở chậm của van  được gọi là góc điều khiển của sơ đồ chỉnh lưu. Từ các điều kiện mở của van nêu trên ta thấy rằng muốn van mở được khi có tín hiệu điều khiển thì thời điểm truyền tín hiệu đến van phải nằm trong khoảng điện áp trên van là thuận ứng với mỗi nửa chu kỳ điện áp nguồn. Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển làm việc với = 00 tương đương với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển. Sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anốt chung cũng hòan toàn tương tự, chỉ khác là thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ này xác định khác với sơ đồ các van nối K chung.  Trường hợp sơ đồ hình cầu 1. Sơ đồ không điều khiển Từ kết cấu của sơ đồ chỉnh lưu hình cầu ta có nhận xét: Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất hai van cùng dẫn dòng, một van ở nhóm K chung và van còn lại ở nhóm A chung. Vậy với giả thiết là sơ đồ làm ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có hai van dẫn dòng là một van ở nhóm K chung nối với pha đang có điện áp dương nhất và một pha ở nhóm A chung nối với pha đang có điện áp âm nhất. Thời điểm mở tự nhiên đối với các van nối K chung xác định như các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha với các van nối anốt chung. Còn thời điểm mở tự nhiên đối với các van nhóm Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 66 A chung thì xác định như đối với các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha các van nối anốt chung. Với đặc điểm làm việc của sơ đồ chỉnh lưu cầu người ta nhận thấy rằng: Trong một chu kỳ nguồn xoay chiều, mỗi van cũng dẫn dòng một khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ như ở sơ đồ hình tia, sự chuyển mạch dòng từ van này sang van khác chỉ diễn ra với các van trong cùng một nhóm và độc lập với nhóm van kia; trong một chu kỳ nguồn xoay chiều điện áp chỉnh lưu lặp lại q lần giống nhau, với q = m khi m lẻ và q = 2m khi m chẵn. 2. Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển Với sơ đồ chỉnh lưu cầu, để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều người ta cũng thực hiện việc điều khiển cho các van trong sơ đồ mở chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện bằng  nhờ sử dụng tín hiệu điều khiển giống như ở sơ đồ hình tia giới hạn thay đổi lớn nhất của góc điều khiển  cũng phụ thuộc vào mạch chỉnh lưu và đặc tính tải. 2.1.5. Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu: - Các đặc tính của một sơ đồ chỉnh lưu được thông qua một nhóm các thống số cơ bản. Các thông số cơ bản này cần thiết cho quá trình thiết kế một mạch chỉnh lưu, cũng như được dùng để đánh giá chất lượng của một mạch chỉnh lưu và sự ảnh hưởng của nó tới lưới điện. Thông thường một sơ đồ chỉnh lưu được xem xét với các thông số cơ bản sau: 1. Thông số tải: + Giá trị điện áp trung bình nhận được ngay sau mạch chỉnh lưu (Ud)      2 00 )( 2 1 )( 1 dudttu T U d T dd + Dòng điện trung bình từ mạch chỉnh lưu cấp cho tải (Id)     2 0 )( 2 1 diI dd + Công suất một chiều tải tiêu thụ (Pd). ddd IUP  2. Thông số van bán dẫn + Giá trị trung bình dòng điện chảy qua van: IVtb hoặc IVAV + Giá trị hiệu dụng dòng điện chảy qua van: IVhd hoặc IVRMS Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 67 + Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu khi làm việc: UVngmax + Điện áp thuận cực đại mà van phải chịu khi làm việc: UVthmax 3.Thông số nguồn + Giá trị hiệu dụng dòng điện chảy qua cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp: I1và I2 + Công suất biểu kiến sơ cấp và thứ cấp máy biến áp S1 = U1.I1; S2 = U2.I2 4. Nhóm thông số đánh giá chất lượng mạch điện + Số lần đập mạch (mX) : là nhóm các thông số đánh giá chất lượng điện áp chỉnh lưu, nếu số lần đập mạch càng lớn thì chất lượng mạch chỉnh lưu càng tốt. + Độ gợn sóng W% là tỷ số giữa điện áp trung bình một chiều và điện áp xoay chiều bậc một sau chỉnh lưu. + Các thông số xác định sự ảnh hưởng của mạch chỉnh lưu tới lưới điện: Sự ảnh hưởng đó được đánh giá qua hệ số cos, trong đó  là góc giữa thành phần sóng hài bậc nhất của dòng điện và điện áp ở đầu vào chỉnh lưu. Một thông số quan trọng khác nữa cũng ảnh hưởng đến lưới điện như là độ méo phi tuyến của dòng đầu vào mạch chỉnh lưu. Khi đánh giá được độ méo phi tuyến cho phép xác định được dùng các bộ lọc đầu vào mạch chỉnh lưu, hay phải dùng sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha để giảm thiểu ảnh hưởng của chỉnh lưu đến lưới điện. 2.2. Các mạch chỉnh lưu không điều khiển 2.2.1. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển * Xét trường hợp tải thuần trở a> Sơ đồ nguên lý Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ gồm hai loại: trực tiếp và cách ly được mô tả như hình 2.15-a và 2.15-b R id u1 R id D D b a u2u2 ud ud Hình 2.15: Sơ đồ chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 68 b> Nguyên lý làm việc và dạng sóng dòng diện, điện áp trong mạch - Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu: t(v)U2.sin.22 u . - Trong 2 1 chu kỳ đầu   t0 , khi đó u2  0, van D được phân cực thuận nên van D dẫn điện.Ta có: uD = 0, duu 2 , R u ii dD 2 -Trong 2 1 chu kỳ sau  2 t khi đó u2  0, van D bị phân cực ngược nên van D không dẫn điện. Ta có: uD = u2  0, ud = 0, 0 dD ii - Các chu kỳ tiếp theo nguyên lý hoạt động tương tự. Từ nguyên lý làm việc xây dựng được dạng sóng dòng điện và điện áp trong mạch như hình vẽ. 0 0 0 uD u d u2 2 3 t 2 3 t 2 3 t 0 i d 2 3 t Hình 2.16: Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải thuần trở c> Các biểu thức trong mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển với tải thuần trở - Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu : 2 22 0 2 45,0 .2 )0cos(cos 2 .2 sin2 2 1 U UU tdtUU d           Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 69 - Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu : R U R U tdtU RR u I ddd . .2 sin2 .2 1 2 0 2       - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:   dI R U R U R U td t td R U td t R U td R tU I 222 1 2 0sin2sin )0( 2 1 2 2 2cos 2 1 2 2cos11sin2 2 1 22 2 00 2 0 2 2 0 2 2                                                  - Dòng điện trung bình qua diode D: d d DAV I R U R U tdtU R I   . .2 sin2 .2 1 2 0 2     - Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa: 22UU Dm  - Tính công suất máy biến áp S2 = U2.I2 S1 = U1.I1 - Hệ số công suất mạch chỉnh lưu: 2 . S IU Cos dd * Nhận xét: - Dạng sóng dòng điện, điện áp tải nhấp nhô nên chất lượng điện áp sau chỉnh lưu không cao, ít được sử dụng trong thực tiễn. - Máy biến áp sử dụng không tốt do hiệu suất thấp và sạng sóng điện áp qua máy biến áp không sin. - Muốn dòng tải giảm nhấp nhô phải mắc thêm tụ lọc hoặc cuộn lọc. - Mạch đơn giản. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 70 * Xét trường hợp tải R + E a> Sơ đồ nguên lý D u2 ~ Id ud R A B E + - uD 0 U2   1  2 E t  ,0 0 0 0 uD u d u2 2 3 t t t 0 i d t E q 1 q 2 EU 22 Hình 2.17: Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ không điều khiển tải R+E b> Nguyên lý làm việc và dạng sóng dòng diện, điện áp trong mạch - Diode D chỉ cho dòng điện qua tải khi u2 > E, dòng id chỉ tồn tại trong khoảng 1  2 và góc 1 là 2 nghiệm của phương trình sau: EUu  122 sin2  Khi diode D dẫn dòng thì biểu thức của dòng điện qua tải: R EU id   sin2 2 Xét điều kiện lý tưởng khi diode cho dòng chảy qua thì điện áp đặt lên 2 đầu diode là UD = 0 V. Còn khi diode D bị khóa ta có phương trình: DUEu 2 (Lúc này coi R.id =0 vì dòng điện qua tải rất nhỏ.) Do đó điện áp đặt lên diode D là: EUEuUD  sin2 22 Về nguyên lý làm việc của mạch có thể mô tả chi tiết như sau: Giả sử mạch làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng với 2.20 UE  và điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu là điện áp hình sin sin2 22 Uu  Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 71 Trước thời điểm 1 khi đó u2 < E nên diode D bị phân cực ngược không dẫn, do đó không có dòng điện qua tải và qua van diode iD = id = 0, điện áp trên tải ud = E, điện áp rơi trên van EUEuUD  sin2 22 . Trong khoảng 1 E nên diode dẫn cho dòng điện chạy qua tải R EU ii Dd   sin2 2 , điện áp trên tải ud = u2, điện áp rơi trên van uD = 0. Đến khi 2<  < 2 lúc này u2 < E nên diode D bị phân cực ngược không dẫn, do đó không có dòng điện qua tải và qua van diode iD = id = 0, điện áp trên tải ud = E, điện áp rơi trên van EUEuUD  sin2 22 . c> Công thức tính các thông số trong mạch chỉnh lưu - Điện áp ngược cực đại đặt lên diode D khi khóa: EUU Dm  2.2 - Dòng điện trung bình chảy qua tải:           1sin. 1cos . .2 )1sin.1cos2.( 2 .2sin..2 2 1 2 2 1 22            TR U R U d R EU I d +Trong đó: T    2 12   - Giá trị dòng điện hiệu dụng qua thứ cấp máy biến áp và qua tải khi chuyển gốc tọa độ 1 góc /2 đến O, có dạng: cos. 2 2 R EU id              4 2sin . .2 2 2cos1 2 1 . .2 cos. .2 2 1 12 2 2 2 2 2 2 2 2                     R EU d R EU d R EU I - Điện áp trung bình trên tải: ERIU ddd  . Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 72 * Xét với tải R+L: - Với tải R+L thường được dùng một trong hai sơ đồ sau: R id D a u2 ud Sơ đồ không có diode không R id D b u2 ud D0 A C B Sơ đồ có diode không 0 u; i 2 t ud id q1 q2 l Dạng sóng dòng điện điện áp trên tải khi không có diode không c> 0 u; i 2 t ud id q1 q2 Dạng sóng dòng điện điện áp trên tải khi có diode không d> Hình 2.6.1-4: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng mạch ckỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển Khi diode dẫn dòng trong mạch thì cuộn cảm sinh ra sđđ tự cảm . dt di Le d mỗi khi có sự biến thiên của dòng điện. Theo định luật ôm có thể viết được phương trình mạch điện: diReu .2  Hoặc sin.2. 2UiR dt di L d d  Khi D dẫn dòng có dòng điện chạy qua tải id gồm 2 thành phần là dòng điện cơ bản icb và dòng điện tắt dần theo hàm mũ: Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển 73 + Dòng điện icb được xác định: )sin( 2 2   Z U icb + Dòng điện itd là hàm mũ tắt dần theo thời gian:     tgL tR Pt td eAeAeAi   ... . . Trong đó: .Ld = X = Z.sin; R = Z. cos; 22 XRZ  ; d d R X arctg ; t =  ; d d L R P Như vậy dòng điện tải: id = )sin( 2 2   Z U +   tgeA  . Hệ số A được xác định từ sơ kiện đóng mạch có điện cảm id( = 0) = 0. Thay vào biểu thức id ở trên ta xác định được )sin( 2 2  Z U A  Cuối cùng ta nhận được:           X R d e Z U i .sin)sin( 2 2 Khi  = , dòng id = 0; Lúc đó diode D khóa lại và ta có quan hệ:    tgeSin   .sin)( - Khi biết góc , có thể xác định được góc tắt dòng  bằng phép tính gần đúng của phương trình siêu việt trên. Trên hình 2.6.1-4c ta thấy trong khoảng 0 <  < 1 dòng điện id tăng từ từ do cuộn cảm L sinh ra Sđđ e có chiều ngược lại với u2, lúc này cuộn cảm L tích lũy năng lương. Trong khoảng 1 <  < 2 lúc này dòng id suy giảm dần và Sđđ e tác động