LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT pot

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (819.86 KB, 33 trang )

D n b i i n t cơng su t 1
Chơng 2 : LINH KIệN ĐTCS
Để thực hiện các ngắt điện điện tử trong chơng 1, có thể sử dụng nhiều linh
kiện hay nhóm linh kiện điện tử chịu đợc áp cao – dòng lớn, làm việc trong hai chế
độ:
– Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp qua kênh dẫn điện rất bé, dòng phụ thuộc vào tải.
– Khóa (OFF): dòng qua nó rất bé ( 0), kênh dẫn điện nh hở mạch. Các linh kiện
chính: diode, thyristor (SCR), BJT và MosFET.
II.1 DIODE:
Là linh kiện dẫn điện một chiều quen thuộc của mạch điện tử.
1. Phân loại:
– Theo sụt áp thuận, loại thờng (dùng silic) từ 0.6 đến 1.2 V, thờng tính bng 1V. ở mạch dòng
lớn, áp thấp có thể dùng cng nghệ Schottky, để có sụt áp thuận bé, 0.2 – 0.4V.
– Có loại diod dòng bé dùng cho mạch xử lý tín hiệu, diod cng suất chịu dòng lớn hơn cho mạch
ĐTCS, diod làm việc ở mạch cao tần có tụ điện mối nối bé.
– Diod cng suất chia làm hai loại: dùng ở tần số cng nghiệp (diod chỉnh lu)
và diod dùng cho mạch đóng ngắt ở tần số cao.
2. Đặùc tính phục hồi của diod (recovery):
– M tả: Khi chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái khóa, có khoảng
thời gian ngắn diod dẫn dòng ngợc gọi là thời gian phục hồi ngợc trr (rr: reverse recovery) trớc khi thật
sự khóa nh hình II.1.1. Dòng điện này ứng với việc xả và nạp ngợc lại các điện tích của mối nối (tơng
ứng tụ điện mối nối) khi diod bị phân cực nghịch.
Hình II.1.1: Hai kiểu phục hồi.
Trang 1/ Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ể
H c kì 2 n m h c 2004-2005
– trr có trị số khá lớn ở diod tần số cng nghiệp làm cho chúng khng thể làm việc ở vài chục
KHz, nhng khá bé, cở vài micro giây ở diod phục hồi nhanh (fast
recovery). Ngoài trr, đặc tính phục hồi của diode còn đặc trng qua điện tích QRR là tích phân của dòng
điện ngợc theo t.
– ảnh hởng của đặc tính phục hồi: Diod phục hồi nhanh (đợc dùng cho mạch đóng ngắt tần số
cao) có đặc tính phục hồi hình II.1.1.b: dòng ngợc tăng dần đến IRR và giảm về 0 rất nhanh sau đó. Sự

thay đổi đột ngột trạng thái của dòng điện này sẽ tạo ra quá áp cho các phần tử mạch hay gây nhiễu do
các L của mạch hay ký sinh do tốc độ tăng (giảm) dòng di/dt lớn.
Ta có trr = ta + tb ta Khi cho tb là khng đáng kể.
Gọi di là tốc độ tăng dòng âm: Ta có
dt
di
di I RR 1
và Q RR I RR a .t .Suy ra
dt t a 2
IRR 2.QRR
dt
Vậy với QRR cho trớc, để giảm IRR cần phải hạn chế di/dt khi khóa.
– Khng chỉ diod, SCR với t cách là chỉnh lu có điều khiển cũng gặp vấn đề
tơng tự.
II.2 THYRISTOR Và SCR:
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR:
Ba cực của SCR:
Anod: Dơng cực Katod:
Âm cực Gate: Cổng hay
cực điều khiển.
Ký hiệu SCR Cấu tạo nguyên lý Mạch tơng đơng
hai BJT Hình II.2.1: Ký hiệu
và nguyên lý SCR
– Khi mới cấp điện, iG = 0 : SCR khóa thuận và ngợc – IA là dòng điện rò,
rất bé, cở mA với VAK 0.
Trang 2/ Ch ng 2 ươ http://www.khvt.com
D n b i i n t cơng su t 1
Hình II.2.2: Cấu tạo một SCR
dòng lớn ở tỉ lệ thực (a) và
phóng to mảnh tinh thể bán

dẫn (b)
– Khi SCR phân cực thuận – VAK > 0, và có tín hiệu điều khiển – IG > 0, SCR chuyển
sang trạng thái dẫn điện và có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện cho đến khi dòng qua nó giảm về 0.
2. Đặc tính tĩnh ( volt – ampe ): M tả quan hệ IA(VAK) với dòng IG khác
nhau.
Hình II.2.3 Sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến volt – ampe của SCR
* VAK < 0 : Khóa ngợc: Chạy qua SCR là dòng rò ngợc, cở mA. Khi VAK < - VRB ta có hiện t-
ợng gãy ngợc, dòng | IA | tăng rất cao trong khi VAK vẫn giữ trị số lớn => SCR bị hỏng.
* VAK > 0 và IG = 0 : Khóa thuận: Ta có là dòng rò thuận, cũng cở mA. Khi VAK > VFB ta có
hiện tợng gãy thuận: SCR chuyển sang vùng dẫn điện.
Ta phải chọn định mức áp của SCR lớn hơn các giá trị gãy này, hệ số an toàn
điện áp thờng chọn lớn hơn hay bng 2.
Khi phân cực thuận, nếu IG tăng lên từ giá trị 0, VFB giảm dần. Nh vậy, dòng IG cần phải đủ lớn
để có thể sử dụng SCR nh một ngắt điện điện tử: SCR chuyển sang trạng thái dẫn ngay khi đợc kích bất
chấp điện áp phân cực thuận.
* Vùng dẫn điện: ứng với trờng hợp SCR đã đợc kích khởi khởi và dẫn điện, sụt áp qua SCR
VAK = VF khoảng 1 – 2 volt. Trong vùng dẫn điện có hai đặc trng dòng:
Trang 3/ Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ể
H c kì 2 n m h c 2004-2005
+ IL : dòng cài, là giá trị tổi thiểu của IA để SCR có thể duy trì trạng thái dẫn khi dòng
cực cổng IG giảm về 0 ( kích SCR bng xung ).
+ IH : dòng giữ, là giá trị tổi thiểu của IA để SCR có thể duy trì trạng
thái dẫn ( khi khng còn dòng cực cổng IG. Nếu dòng anode thấp hơn IH, SCR sẽ trở về trạng thái khóa.
IL khác IH vì có quá trình lan tỏa của dòng anode từ vùng phụ cận của cực G đến toàn bộ mảnh
bán dẫn khi SCR đợc kích ( có dòng cực nền), tơng ứng mật độ dòng giảm dần, làm cho hệ số khuếch
đại dòng điện tăng. Quá trình quá độ này còn ảnh hởng đến giới hạn di/dt, đợc giới thiệu trong đặc tính
động của SCR.
2. Đặc tính động ( đóng ngắt ):
a. Đặc tính mở: ( turn on )
Thời gian trễ ton

Giới hạn tốc độ tăng dòng diA/dt.
Hình II.2.4.a. Đặc
tính động : mở
và khóa của SCR
Hình II.2.4.b. Cấu tạo SCR cực
cổng có dạng cổ điển (1) và
phức tạp (2) phân bố trên
toàn diện tích miếng bán dẫn
(1) (2) để tăng di/dt.
b. Đặc tính khoá: ( turn off )
– M tả quá trình khóa SCR
– Thời gian đảm bảo tắt toff toff = [ 10 50 ] micro giây với SCR tần
số cao
[ 100 300 ] micro giây với SCR chỉnh
lu.
– Có giới hạn tốc độ tăng du/dt để tránh tự kích dẫn.
– Có quá trình dẫn dòng ngợc khi khóa (đặt áp âm) nh diod (đặc tính phục hồi ngơc).
– Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn (hình II.2.5).
Trang 4/ Ch ng 2 ươ http://www.khvt.com
D n b i i n t cơng su t 1
C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; R1 tăng khi áp SCR tăng
và/hay dòng tải giảm, từ 20 – 100 ohm; C1 tăng khi dòng SCR tăng
và/hay áp SCR giảm, từ 0.1 –
0.5 uF.
Hình II.2.5: Mạch snubber R1C1 và RC cực cổng bảo vệ SCR khỏi các
chế độ kích dẫn khng mong muốn.
3. Đặc tính cổng: (hay kích khởi cổng)
(1) là đặc tính IG(VG) tiêu biểu, (2) là đặc tính IG(VG) ứng với điện trở RG bé,
(3) ứng với điện trở RG lớn.
Các thng số giới hạn ( cực đại ) của tín hiệu cực

cổng để tránh h hỏng SCR: dòng IGmax, áp VGmax và
cng suất tiêu tán trung bình PGmax của cực cổng (Cng
suất tiêu tán còn phụ thuộc bề rộng xung kích SCR).
Các sổ tay tóm tắt thờng chỉ cung cấp các
thng số giới hạn (bé nhất) cho đảm bảo kích:
VGT, IGT.
Hình II.2.6: Đặc tính cổng SCR
Và nh vậy điểm làm việc của cổng SCR phải nm trong các giới hạn này, vùng đợc t trong hình
II.2.6.
Trong thực hành, có thể ớc tính IGT bng cách sử dụng hệ số khuếch đại dòng của SCR tính
bng tỉ số IA định mức / IGT, hệ số này có giá trị từ 100. . 200. Dòng kích SCR sẽ chọn từ 1.5. . 5 lần
giá trị này, số càng cao khi cần đóng ngắt tốt, làm việc ở tần số cao hay kích bng xung.
4. Các linh kiện khác trong họ thyristor:
Thyristor là họ linh kiện có ít nhất 4 lớp với SCR là đại diện. Thyristor hoạt
động theo nguyên lý phản hồi dơng nên lun có khả năng tự giữ trạng thái dẫn
điện (kích dẫn). Nhng khng nh SCR, một số SCR đợc chế tạo để có thể điều
khiển đợc quá trình khoá và là một ngắt điện điện bán dẫn một chiều khi lý tởng
hóa.
Hình II.2.7: Ký hiệu của các linh kiện hay gặp của họ Thyristor.
a. DARLISTOR: Là loại SCR có cấu tạo nối tầng (cascade) để tăng hệ số khuếch đại dòng IA /
IG khi định mức dòng anode lớn và rất lớn (vài trăm đến vài
Trang 5/ Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ể
H c kì 2 n m h c 2004-2005
ngàn ampe). Lúc đó, dòng kích vẫn ở vài ampe. Darlistor là tên thơng mại, nhái theo transistor nối tầng
là Darlington transistor. Một sựự nhà sản xuất vẫn dùng tên SCR hay Thyristor, nhng chú thích là cực
cổng đợc khuếch đại (Amplified gate thyrirstor). Sơ đồ nguyên lý Darlistor cho ở hình II.2.7.
b. TRIAC: Là linh kiẹõn phổ biến thứ hai của họ thyristor sau SCR, có mạch tơng đơng là hai
SCR song song ngợc, đợc chế tạo với dòng định mức đến hàng ngàn ampe. Mạch tơng đơng hai SCR
song song ngợc hoàn toàn tơng thích vơi TRIAC khi khảo sát lý thuyết, nên
chúng thờng đợc dùng

thay thế cho nhau trong
các sơ đồ nguyên lý mặc
dù trong thực tế chúng có
nhiều tính chất khác nhau.
TRIAC có khả năng khóa
theo hai chiều, trở nên dẫn
điện khi có dòng kích và
tự giữ trạng thái dẫn cho
đến
Hình II.2.8 Đặc tuyến V – I của TRIAC và DIAC
Khi dòng qua nó giảm về khng.
(Hình II.2.8) TRIAC có thể điều
khiển bng dòng G – T1 ( còn gọi
là MT1) cả hai cực tính và ở hai
chiều dòng điện tải làm sơ đồ điều
khiển đơn giản hơn mạch tơng
đơng hai SCR rất nhiều.
Nhợc điểm rất quan trọng
của TRIAC là dễ bị tự kích ở nhiệt
độ mối nối cao và có giới hạn dv/dt
rất thấp, khó làm việc với tải có
tính cảm. Lúc đó, ngời ta vẫn phải
dùng hai SCR song
song ngợc.
Hình II.2.9: Hình dạng bên ngoài của một số
TRIAC (SCR cũng tơng tự )
c. DIAC: Có nguyên tắc hoạt động tơng tự nh TRIAC nhng khng có cực cổng G, ngỡng điện áp
gãy rất thấp – thờng là 24 V, đợc dùng trong các mạch phát xung và kích thyristor với dòng xung một
vàiỷ ampe.
d. LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích bng tia sáng. Có nguyên tắc làm việc nh SCR

nhng đợc kích bng dòng quang điện.
Trang 6/ Ch ng 2 ươ http://www.khvt.com
D n b i i n t cơng su t 1
Thay vì cung cấp dòng cực cổng để kích khởi, ngời ta rọi sáng LA SCR qua cửa sổ hay ống dẫn sợi
quang. LASCR rất thích hơp cho các ứng dụng cao áp, khi cách điện giứa mạch kích và động lực trở nên
vấn đề phức tạp, giải quyết tốn kém.
e. GTO: ( Gate turn off SCR, SCR tắt bng cực cổng ).
Với khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện, SCR khng thể tự tắt ở nguồn một chiều nếu mạch
khng có sơ đồ đặc biệt để dòng qua nó giảm về khng. GTO cho phép ngắt SCR bng xung âm ở cực
cổng. Từ mạch tơng đơng hai BJT (hình
1.2a), khả năng này có thể đợc dự đoán. Nhng trong thực tế, SCR khng thể tắt bng cổng vì cực cổng
chỉ mồi cho quá trình dẫn, sau đó khng còn tác dụng.
GTO có cấu tạo khác hơn, cho phép kiểm tra kênh dẫn điện của SCR từ cực
cổng. Giá phải trả là hệ số khuếch đại dòng khi kích giảm xuống, còn khá bé – khoảng vài chục. Hệ số
huếch đại dòng khi tắt xấp xỉ mời. Ngời ta chế tạo đợc GTO có dòng định mức đến hàng ngàn ampe.
II.3 TRANSISTOR CÔNG SUấT:
Là đại diện cho ngắt điện bán dẫn có thể làm v iệc với nguồn một chiều, đợc điều khiển bng
dòng cực B nếu là BJT hay áp cực cổng G nếu là MosFET hay IGBT.
Giống nh Thyristor, mặt nạ để gia cng transistor cng suất cũng có dạng phức tạp để các cực
điều khiển kiểm soát đợc toàn bộ kênh dẫn điện và làm cho linh kiện chuyển trạng thái nhanh (hình
II.3.1).
Hình II.3.1: Cấu tạo của BJT cng suất: Cực B phân bố đều trên toàn bộ diện tích, cung cấp khả
năng điều khiển hiệu quả hơn.
1. Transistor cng suất:
D D
C
C
G
G
S S

G G
E E
MosFET kênh n (Ký hiệu quen dùng) Ký hiệu IGBT Mạch nguyên lý IGBT
Trang 7/ Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ể
H c kì 2 n m h c 2004-2005
Hình II.3.1: Ký hiệu các transistor
Là nhóm ngắt điện bán dẫn cho phép đóng và ngắt theo tín hiệu điều khiển, gồm có:- BJT: điều
khiển bng dòng cực B
– IB = 0 => BJT khóa, khng dẫn điện
– IB đủ lớn (IB > IC / ) BJT bảo hòa, dẫn dòng tải IC chỉ phụ thuộc mạch tải.
Với dòng tải lớn, để giảm dòng điều khiển, các nhà sản xuất chế tạo các
transistor Darlington với hệ số khuếch đại dòng từ vài trăm đến vài nghìn.
– MosFET: là transistor trờng có cực cổng cách điện, loại tăng
(enhancement). MosFET là transistor điều khiển bng áp VGS.
– VGS 0 : transistor khóa
– VGS > VTH : transistor dẫn điện (VTH từ 3 5 volt)
– IGBT (Insulated Gate BJT): Cng nghệ chế tạo MosFET khng cho phép
tạo ra các linh kiện có định mức dòng lớn, IGBT có thể xem là sự kết hợp giữa
MosFET ở ngỏ vào và BJT ở ngỏ ra để có đợc linh kiện đóng ngắt dòng DC đến
hàng nghìn Ampe điều khiển bng áp cực G. Cũng nh thyristor, transistor cần
có mạch lái, là phần tử trung gian giữa mạch điều khiển và ngắt điện, có các nhiệm
vụ:
– Đảm bảo dạng và trị số dòng cực B cho BJT (áp cực cổng G đ/v MosFET) để các linh kiện này
bảo hòa.
– Cách ly điện mạch điều khiển – cng suất theo yêu cầu của sơ đồ động lực
(nếu có), tăng khả năng an toàn cho ngời vận hành, tránh nhiễu cho mạch điều
khiển.
Nguyên lý điều khiển IGBT giống nh MosFET.
VCC
VCC

L
i
i
C
Rt
C
Rt
VBB Q VBB Q
R2 v R2 v
R1 CE R1 CE
Hình II.3.2: mạch thí nghiệm quá trình đóng ngắt
của BJT. Hình II.3.3.a và b:
a. Quá trình đóng ngắt của BJT:
Quan sát quá trình đóng ngắt của BJT với tải R và RL nh sơ đồ trên hình
Trang 8/ Ch ng 2 ươ http://www.khvt.com
D n b i i n t cơng su t 1
II.3.2 và các dạng sóng trên hình II.3.3.a và b, ta có những nhận xét sau:
– Khi đóng (chuyển từ khóa sang bảo hòa) BJT mất thời gian tON có trị số khoảng 1 micro giây,
và thời gian tOFF có trị số vài micro giây để khóa (hình II.3.3.a).
– Quá trình chuyển trạng thái khng xảy ra tức thời, có thời gian để áp vCE và iC thay đổi trị số
Khi tải trở: vCE = VCC – Rt. iC : áp CE của BJT tăng dần theo quá trình giảm của iC.
Nh vậy có thời gian, dù rất bé, BJT chịu dòng lớn và áp cao, dẫn đến tổn hao trong BJT khi đóng
ngắt. Ví dụ khi áp trên BJT bng 200 volt và dòng 20 ampe, cng suất tức thời trên mối nối CE lúc đó là
200*20 = 4000 watt so với vài chục watt khi dẫn bảo hòa.
Hiện tợng này đặc biệt nghiêm trọng khi
VBB
tải có diod phóng điện: dòng qua tải cuộn dây
i
B D
R

khng thay đổi tức thời trong khi diod phóng điện
Q
R2
chỉ có thể dẫn điện khi BJT tắt hẵn, mối nối CE sẽ
chịu nguyên dòng tải cho đến khi vCE = VCC. Nh vậy tổn hao
trong quá trìng đóng ngắt sẽ tăng cao [dạng dòng áp trên hình
II.3.3.b].
Các kết luận:
R1 C
Hình II.3.4: cụm BJT đóng ngắt với
các linh kiện phụ
* Tổn hao trong quá trình đóng ngắt của transistor rất cao, trong thực tế nó là nguồn nhiệt chủ
yếu làm phát nóng transistor đóng ngắt, nó giới hạn tần số làm việc của transistor đóng ngắt. Để hạn chế
sự phát nóng này ngoài việc sử dụng mạch lái hiệu quả, cần chọn đúng loại transistor đóng ngắt (loại
SWitching) và dùng mạch cải thiện. Mạch cải thiện quá trình khóa transistor cũng là là mạch snubber (t-
ơng tự nh ở SCR) bao gồm diod D, điện trở R và tụ điện C trên hình II.3.4. Khi BJT chuyển sang trạng
thái khóa, tụ C đợc nạp qua diod D bng dòng tải của transistor [dạng áp (1) trên hình II.3.3.a]. Nhờ vậy
sẽ khng có trờng hợp dòng tải bị cỡng bức chảy qua BJT trong quá trình khóa. Điện trở R hạn dòng
phóng qua CE khi BJT dẫn điện trở lại. Diod D ít gặp trong thực tế, giá trị điện trở R từ 33 đến 150 ohm
và điện dung C có giá trị trong khoảng 0.1 nF đến 10 nF phụ thuộc điện áp và tần số làm việc.
* Để làm nhanh quá trình chuyển mạch, nhờ đó tăng tần số làm việc và giảm tổn hao năng lợng,
cần có mạch lái hiệu quả với các khả năng sau:
– Giảm tON bng cách cỡng bức dòng cực nền cho BJT.
– Giảm tOFF khi khng cho BJT bảo hòa sâu bng cách giữ vCE khng quá bé, cung cấp IB vừa
đủ; cung cấp phơng tiện giải phóng điện tích mối nối BE đã đợc
Trang 9/ Ch ng 2 â Hu nh V n Ki m
H c kì 2 n m h c 2004-2005
nạp khi BJT dẫn điện.
b. Vùng hoạt động an
toàn của BJT (Safe

Operating Area) (hình II.3.5
):
Là vùng chứa các
điểm (IC, VCE ) của BJT khi
làm việc mà khng bị hỏng,
giới hạn bởi:
– các giá trị cực đại
VCEmax, ICmax.
– Gảy (mối nối) thứ
cấp (second breakdown), là
trờng hợp BJT bị h hỏng
do phát nóng cục bộ làm
tăng dòng IC trong khi áp vẫn
cao, phân biệt với gảy sơ cấp
(primary) khi phân cực
ngợc. Hiện tợng này là kết
quả của nhiều nguyên nhân,
xảy ra
VCE
Hình II.3.5: Vùng làm việc an toàn khi phân cực (cực B)
thuận (FBSOA) của transistor GE-D67DE
trong quá trình đóng ngắt, nhất là với tải RL. Điều này nhấn mạch tác dụng bảo vệ của mạch Snubber.
b. Mạch lái MOSFET cng suất:
Dz7v2
D
MosFET cng suất có các u điểm: tần
số làm việc cao hơn vì kênh dẫn điện khng có mối nối,
mạch lái đơn giản hơn vì điều khiển bng áp – khng cần
cng suất – có thể kéo thẳng từ các vi mạch cấp điện 12
volt (ví

G
0 15volt 47 22K
D4
C4
330p
S R11
510/3W
Hình II.3.6: Mạch lái MOSFET 5 – 7 A
dụ khuếch đại thuật toán hay CMOS) khi
làm việc ở BBĐ Flyback 50 kHz.
khng cần tần số đóng ngắt cao. Để đạt tần số đóng ngắt
lớn, mạch lái cần cung cấp dòng nạp khi
mở MOSFET và tiêu tán điện tích cho các tụ điện mối nối khi tắt. Nh vậy các mạch lái MOSFET cũng
có yêu cầu tơng tự nh mạch lái BJT nhng chỉ có dòng trong chế độ quá độ và áp làm việc cao (0 10 volt
hay  10 volt).C¸c h·ng chÕ t¹o
Trang 10/ Ch ng 2 ươ http://www.khvt.com
D n b i i n t cơng su t 1
bán dẫn cng suất đã chế tạo những module bao gồm linh kiện cng suất, mạch lái và bảo vệ làm cng
việc của nhà thiết kế trở nên đơn giản.
II.4 CáC LINH KIệN CÔNG SUấT MớI:
Hình II.4.1 – II.4.3 lấy từ sách Power Electronics của M.H Rashid cho ta cái nhìn khá toàn
diện về các loại linh kiện ĐTCS hiện nay.
Nhìn chung, theo cấu tạo chúng vẫn thuộc hai họ Thyristor và Transistor. Về
hoạt động, chúng đóng vai trò của SCR (chỉ kích dẫn) hay ngắt điện bán dẫn một chiều (khi có thể điều
khiển khóa). Hình II.4.3 trình bày ký hiệu cùng với m tả sơ lợc hoạt động, hình II.4.1 phân loại theo
đặc tính. Có thể thấy là các linh kiện mới bổ sung cng nghệ MOS vào bán dẫn cng cuất để:
– Cải thiện tốc độ đóng ngắt, nâng cao khả năng chịu dòng, áp ví dụ nh IGBT có đặc tính tốt của
BJT và MOSFET.
– Cung cấp và cải thiện đặc tính kích ngắt cho họ Thyristor, ví dụ nh GTO, SITH, MCT
Với lu ý các tính chất của một linh kiện nm trong nhiều mục khác nhau, ta có thể suy ra đặc

tính cơ bản của nó.
Hình II.4.1: So sánh đặc tính các linh kiện cng suất mới
Trang 11/ Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ể
H c k× 2 n m h c 2004-2005 ọ ă ọ
H×nh II.4.2: Ph¹m vi øng dông hiÖn t¹i vµ triÔn väng cña c¸c linh kiÖn c”ng suÊt míi.
Trang 12/ Ch ng 2 ươ http://www.khvt.com
D n b i i n t c¬ng su t 1 à à Đệ ử ấ
H×nh II.4.3: Tãm
t¾t ®Æc tÝnh c¸c
linh kiÖn c”ng
suÊt míi.
Trang 13/ Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ể
đổi khác bất ngờ đột ngột trạng thái của dòng điện này sẽ tạo ra quá áp cho những thành phần mạch hay gây nhiễu docác L của mạch hay ký sinh do vận tốc tăng ( giảm ) dòng di / dt lớn. Ta có trr = ta + tb ta Khi cho tb là khng đáng kể. Gọi di là vận tốc tăng dòng âm : Ta códtdidi I RR 1 và Q RR I RR a. t. Suy radt t a 2IRR 2. QRRdtVậy với QRR cho trớc, để giảm IRR cần phải hạn chế di / dt khi khóa. – Khng chỉ diod, SCR với t cách là chỉnh lu có điều khiển và tinh chỉnh cũng gặp vấn đềtơng tự. II. 2 THYRISTOR Và SCR : 1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động giải trí SCR : Ba cực của SCR : Anod : Dơng cực Katod : Âm cực Gate : Cổng haycực điều khiển và tinh chỉnh. Ký hiệu SCR Cấu tạo nguyên lý Mạch tơng đơnghai BJT Hình II. 2.1 : Ký hiệuvà nguyên tắc SCR – Khi mới cấp điện, iG = 0 : SCR khóa thuận và ngợc – IA là dòng điện rò, rất bé, cở mA với VAK 0. Trang 2 / Ch ng 2 ươ http://www.khvt.comD n b i i n t cơng su t 1H ình II. 2.2 : Cấu tạo một SCRdòng lớn ở tỉ lệ thực ( a ) vàphóng to mảnh tinh thể bándẫn ( b ) – Khi SCR phân cực thuận – VAK > 0, và có tín hiệu điều khiển và tinh chỉnh – IG > 0, SCR chuyểnsang trạng thái dẫn điện và có năng lực tự giữ trạng thái dẫn điện cho đến khi dòng qua nó giảm về 0.2. Đặc tính tĩnh ( volt – ampe ) : M tả quan hệ IA ( VAK ) với dòng IG khácnhau. Hình II. 2.3 Sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến volt – ampe của SCR * VAK < 0 : Khóa ngợc : Chạy qua SCR là dòng rò ngợc, cở mA. Khi VAK < - VRB ta có hiện t-ợng gãy ngợc, dòng | IA | tăng rất cao trong khi VAK vẫn giữ trị số lớn => SCR bị hỏng. * VAK > 0 và IG = 0 : Khóa thuận : Ta có là dòng rò thuận, cũng cở mA. Khi VAK > VFB ta cóhiện tợng gãy thuận : SCR chuyển sang vùng dẫn điện. Ta phải chọn định mức áp của SCR lớn hơn những giá trị gãy này, thông số an toànđiện áp thờng chọn lớn hơn hay bng 2. Khi phân cực thuận, nếu IG tăng lên từ giá trị 0, VFB giảm dần. Nh vậy, dòng IG cần phải đủ lớnđể hoàn toàn có thể sử dụng SCR nh một ngắt điện điện tử : SCR chuyển sang trạng thái dẫn ngay khi đợc kích bấtchấp điện áp phân cực thuận. * Vùng dẫn điện : ứng với trờng hợp SCR đã đợc kích khởi khởi và dẫn điện, sụt áp qua SCRVAK = VF khoảng chừng 1 – 2 volt. Trong vùng dẫn điện có hai đặc trng dòng : Trang 3 / Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ểH c kì 2 n m h c 2004 – 2005 + IL : dòng cài, là giá trị tổi thiểu của IA để SCR hoàn toàn có thể duy trì trạng thái dẫn khi dòngcực cổng IG giảm về 0 ( kích SCR bng xung ). + IH : dòng giữ, là giá trị tổi thiểu của IA để SCR hoàn toàn có thể duy trì trạngthái dẫn ( khi khng còn dòng cực cổng IG. Nếu dòng anode thấp hơn IH, SCR sẽ quay trở lại trạng thái khóa. IL khác IH vì có quy trình lan tỏa của dòng anode từ vùng phụ cận của cực G đến hàng loạt mảnhbán dẫn khi SCR đợc kích ( có dòng cực nền ), tơng ứng tỷ lệ dòng giảm dần, làm cho thông số khuếchđại dòng điện tăng. Quá trình quá độ này còn ảnh hởng đến số lượng giới hạn di / dt, đợc trình làng trong đặc tínhđộng của SCR. 2. Đặc tính động ( đóng ngắt ) : a. Đặc tính mở : ( turn on ) Thời gian trễ tonGiới hạn vận tốc tăng dòng diA / dt. Hình II. 2.4. a. Đặctính động : mởvà khóa của SCRHình II. 2.4. b. Cấu tạo SCR cựccổng có dạng cổ xưa ( 1 ) vàphức tạp ( 2 ) phân bổ trêntoàn diện tích quy hoạnh miếng bán dẫn ( 1 ) ( 2 ) để tăng di / dt. b. Đặc tính khoá : ( turn off ) – M tả quy trình khóa SCR – Thời gian bảo vệ tắt toff toff = [ 10 50 ] micro giây với SCR tầnsố cao [ 100 300 ] micro giây với SCR chỉnhlu. – Có số lượng giới hạn vận tốc tăng du / dt để tránh tự kích dẫn. – Có quy trình dẫn dòng ngợc khi khóa ( đặt áp âm ) nh diod ( đặc tính hồi sinh ngơc ). – Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn ( hình II. 2.5 ). Trang 4 / Ch ng 2 ươ http://www.khvt.comD n b i i n t cơng su t 1C2 = 0.05 – 0.1 uF ; R2 = 33 – 100 ohm ; R1 tăng khi áp SCR tăngvà / hay dòng tải giảm, từ 20 – 100 ohm ; C1 tăng khi dòng SCR tăngvà / hay áp SCR giảm, từ 0.1 – 0.5 uF. Hình II. 2.5 : Mạch snubber R1C1 và RC cực cổng bảo vệ SCR khỏi cácchế độ kích dẫn khng mong ước. 3. Đặc tính cổng : ( hay kích khởi cổng ) ( 1 ) là đặc tính IG ( VG ) tiêu biểu vượt trội, ( 2 ) là đặc tính IG ( VG ) ứng với điện trở RG bé, ( 3 ) ứng với điện trở RG lớn. Các thng số số lượng giới hạn ( cực lớn ) của tín hiệu cựccổng để tránh h hỏng SCR : dòng IGmax, áp VGmax vàcng suất tiêu tán trung bình PGmax của cực cổng ( Cngsuất tiêu tán còn nhờ vào bề rộng xung kích SCR ). Các sổ tay tóm tắt thờng chỉ phân phối cácthng số số lượng giới hạn ( bé nhất ) cho bảo vệ kích : VGT, IGT. Hình II. 2.6 : Đặc tính cổng SCRVà nh vậy điểm thao tác của cổng SCR phải nm trong những số lượng giới hạn này, vùng đợc t trong hìnhII. 2.6. Trong thực hành thực tế, hoàn toàn có thể ớc tính IGT bng cách sử dụng thông số khuếch đại dòng của SCR tínhbng tỉ số IA định mức / IGT, thông số này có giá trị từ 100. . 200. Dòng kích SCR sẽ chọn từ 1.5. . 5 lầngiá trị này, số càng cao khi cần đóng ngắt tốt, thao tác ở tần số cao hay kích bng xung. 4. Các linh kiện khác trong họ thyristor : Thyristor là họ linh kiện có tối thiểu 4 lớp với SCR là đại diện thay mặt. Thyristor hoạtđộng theo nguyên tắc phản hồi dơng nên lun có năng lực tự giữ trạng thái dẫnđiện ( kích dẫn ). Nhng khng nh SCR, một số ít SCR đợc sản xuất để hoàn toàn có thể điềukhiển đợc quy trình khoá và là một ngắt điện điện bán dẫn một chiều khi lý tởnghóa. Hình II. 2.7 : Ký hiệu của những linh kiện hay gặp của họ Thyristor. a. DARLISTOR : Là loại SCR có cấu trúc nối tầng ( cascade ) để tăng thông số khuếch đại dòng IA / IG khi định mức dòng anode lớn và rất lớn ( vài trăm đến vàiTrang 5 / Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ểH c kì 2 n m h c 2004 – 2005 ngàn ampe ). Lúc đó, dòng kích vẫn ở vài ampe. Darlistor là tên thơng mại, nhái theo transistor nối tầnglà Darlington transistor. Một sựự đơn vị sản xuất vẫn dùng tên SCR hay Thyristor, nhng chú thích là cựccổng đợc khuếch đại ( Amplified gate thyrirstor ). Sơ đồ nguyên tắc Darlistor cho ở hình II. 2.7. b. TRIAC : Là linh kiẹõn thông dụng thứ hai của họ thyristor sau SCR, có mạch tơng đơng là haiSCR song song ngợc, đợc sản xuất với dòng định mức đến hàng ngàn ampe. Mạch tơng đơng hai SCRsong tuy nhiên ngợc trọn vẹn tơng thích vơi TRIAC khi khảo sát kim chỉ nan, nênchúng thờng đợc dùngthay thế cho nhau trongcác sơ đồ nguyên tắc mặcdù trong thực tiễn chúng cónhiều đặc thù khác nhau. TRIAC có năng lực khóatheo hai chiều, trở nên dẫnđiện khi có dòng kích vàtự giữ trạng thái dẫn chođếnHình II. 2.8 Đặc tuyến V – I của TRIAC và DIACKhi dòng qua nó giảm về khng. ( Hình II. 2.8 ) TRIAC hoàn toàn có thể điềukhiển bng dòng G – T1 ( còn gọilà MT1 ) cả hai cực tính và ở haichiều dòng điện tải làm sơ đồ điềukhiển đơn thuần hơn mạch tơngđơng hai SCR rất nhiều. Nhợc điểm rất quan trọngcủa TRIAC là dễ bị tự kích ở nhiệtđộ mối nối cao và có số lượng giới hạn dv / dtrất thấp, khó thao tác với tải cótính cảm. Lúc đó, ngời ta vẫn phảidùng hai SCR songsong ngợc. Hình II. 2.9 : Hình dạng bên ngoài của một sốTRIAC ( SCR cũng tơng tự ) c. DIAC : Có nguyên tắc hoạt động giải trí tơng tự nh TRIAC nhng khng có cực cổng G, ngỡng điện ápgãy rất thấp – thờng là 24 V, đợc dùng trong những mạch phát xung và kích thyristor với dòng xung mộtvàiỷ ampe. d. LA SCR ( Light – activated – SCR ) : SCR kích bng tia sáng. Có nguyên tắc thao tác nh SCRnhng đợc kích bng dòng quang điện. Trang 6 / Ch ng 2 ươ http://www.khvt.comD n b i i n t cơng su t 1T hay vì cung ứng dòng cực cổng để kích khởi, ngời ta rọi sáng LA SCR qua hành lang cửa số hay ống dẫn sợiquang. LASCR rất thích hơp cho những ứng dụng cao áp, khi cách điện giứa mạch kích và động lực trở nênvấn đề phức tạp, xử lý tốn kém. e. GTO : ( Gate turn off SCR, SCR tắt bng cực cổng ). Với năng lực tự giữ trạng thái dẫn điện, SCR khng thể tự tắt ở nguồn một chiều nếu mạchkhng có sơ đồ đặc biệt quan trọng để dòng qua nó giảm về khng. GTO được cho phép ngắt SCR bng xung âm ở cựccổng. Từ mạch tơng đơng hai BJT ( hình1. 2 a ), năng lực này hoàn toàn có thể đợc Dự kiến. Nhng trong trong thực tiễn, SCR khng thể tắt bng cổng vì cực cổngchỉ mồi cho quy trình dẫn, sau đó khng còn tính năng. GTO có cấu trúc khác hơn, được cho phép kiểm tra kênh dẫn điện của SCR từ cựccổng. Giá phải trả là thông số khuếch đại dòng khi kích giảm xuống, còn khá bé – khoảng chừng vài chục. Hệ sốhuếch đại dòng khi tắt giao động mời. Ngời ta sản xuất đợc GTO có dòng định mức đến hàng ngàn ampe. II. 3 TRANSISTOR CÔNG SUấT : Là đại diện thay mặt cho ngắt điện bán dẫn hoàn toàn có thể làm v iệc với nguồn một chiều, đợc điều khiển và tinh chỉnh bngdòng cực B nếu là BJT hay áp cực cổng G nếu là MosFET hay IGBT.Giống nh Thyristor, mặt nạ để gia cng transistor cng suất cũng có dạng phức tạp để những cựcđiều khiển trấn áp đợc hàng loạt kênh dẫn điện và làm cho linh kiện chuyển trạng thái nhanh ( hìnhII. 3.1 ). Hình II. 3.1 : Cấu tạo của BJT cng suất : Cực B phân bổ đều trên hàng loạt diện tích quy hoạnh, phân phối khảnăng điều khiển và tinh chỉnh hiệu suất cao hơn. 1. Transistor cng suất 😀 DS SG GE EMosFET kênh n ( Ký hiệu quen dùng ) Ký hiệu IGBT Mạch nguyên tắc IGBTTrang 7 / Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ểH c kì 2 n m h c 2004 – 2005H ình II. 3.1 : Ký hiệu những transistorLà nhóm ngắt điện bán dẫn được cho phép đóng và ngắt theo tín hiệu tinh chỉnh và điều khiển, gồm có : – BJT : điềukhiển bng dòng cực B – IB = 0 => BJT khóa, khng dẫn điện – IB đủ lớn ( IB > IC / ) BJT bảo hòa, dẫn dòng tải IC chỉ nhờ vào mạch tải. Với dòng tải lớn, để giảm dòng điều khiển và tinh chỉnh, những nhà phân phối sản xuất cáctransistor Darlington với thông số khuếch đại dòng từ vài trăm đến vài nghìn. – MosFET : là transistor trờng có cực cổng cách điện, loại tăng ( enhancement ). MosFET là transistor điều khiển và tinh chỉnh bng áp VGS. – VGS 0 : transistor khóa – VGS > VTH : transistor dẫn điện ( VTH từ 3 5 volt ) – IGBT ( Insulated Gate BJT ) : Cng nghệ sản xuất MosFET khng cho phéptạo ra những linh kiện có định mức dòng lớn, IGBT hoàn toàn có thể xem là sự tích hợp giữaMosFET ở ngỏ vào và BJT ở ngỏ ra để có đợc linh kiện đóng ngắt dòng DC đếnhàng nghìn Ampe tinh chỉnh và điều khiển bng áp cực G. Cũng nh thyristor, transistor cầncó mạch lái, là thành phần trung gian giữa mạch điều khiển và tinh chỉnh và ngắt điện, có những nhiệmvụ : – Đảm bảo dạng và trị số dòng cực B cho BJT ( áp cực cổng G đ / v MosFET ) để những linh kiện nàybảo hòa. – Cách ly điện mạch điều khiển và tinh chỉnh – cng suất theo nhu yếu của sơ đồ động lực ( nếu có ), tăng năng lực bảo đảm an toàn cho ngời quản lý và vận hành, tránh nhiễu cho mạch điềukhiển. Nguyên lý tinh chỉnh và điều khiển IGBT giống nh MosFET. VCCVCCRtRtVBB Q VBB QR2 v R2 vR1 CE R1 CEHình II. 3.2 : mạch thí nghiệm quy trình đóng ngắtcủa BJT. Hình II. 3.3. a và b : a. Quá trình đóng ngắt của BJT : Quan sát quy trình đóng ngắt của BJT với tải R và RL nh sơ đồ trên hìnhTrang 8 / Ch ng 2 ươ http://www.khvt.comD n b i i n t cơng su t 1II. 3.2 và những dạng sóng trên hình II. 3.3. a và b, ta có những nhận xét sau : – Khi đóng ( chuyển từ khóa sang bảo hòa ) BJT mất thời hạn tON có trị số khoảng chừng 1 micro giây, và thời hạn tOFF có trị số vài micro giây để khóa ( hình II. 3.3. a ). – Quá trình chuyển trạng thái khng xảy ra tức thời, có thời hạn để áp vCE và iC biến hóa trị sốKhi tải trở : vCE = VCC – Rt. iC : áp CE của BJT tăng dần theo quy trình giảm của iC. Nh vậy có thời hạn, dù rất bé, BJT chịu dòng lớn và áp cao, dẫn đến tổn hao trong BJT khi đóngngắt. Ví dụ khi áp trên BJT bng 200 volt và dòng 20 ampe, cng suất tức thời trên mối nối CE lúc đó là200 * 20 = 4000 watt so với vài chục watt khi dẫn bảo hòa. Hiện tợng này đặc biệt quan trọng nghiêm trọng khiVBBtải có diod phóng điện : dòng qua tải cuộn dâyB Dkhng biến hóa tức thời trong khi diod phóng điệnR2chỉ hoàn toàn có thể dẫn điện khi BJT tắt hẵn, mối nối CE sẽchịu nguyên dòng tải cho đến khi vCE = VCC. Nh vậy tổn haotrong quá trìng đóng ngắt sẽ tăng cao [ dạng dòng áp trên hìnhII. 3.3. b ]. Các Tóm lại : R1 CHình II. 3.4 : cụm BJT đóng ngắt vớicác linh kiện phụ * Tổn hao trong quy trình đóng ngắt của transistor rất cao, trong trong thực tiễn nó là nguồn nhiệt chủyếu làm phát nóng transistor đóng ngắt, nó số lượng giới hạn tần số thao tác của transistor đóng ngắt. Để hạn chếsự phát nóng này ngoài việc sử dụng mạch lái hiệu suất cao, cần chọn đúng loại transistor đóng ngắt ( loạiSWitching ) và dùng mạch cải tổ. Mạch cải tổ quy trình khóa transistor cũng là là mạch snubber ( t-ơng tự nh ở SCR ) gồm có diod D, điện trở R và tụ điện C trên hình II. 3.4. Khi BJT chuyển sang trạngthái khóa, tụ C đợc nạp qua diod D bng dòng tải của transistor [ dạng áp ( 1 ) trên hình II. 3.3. a ]. Nhờ vậysẽ khng có trờng hợp dòng tải bị cỡng bức chảy qua BJT trong quy trình khóa. Điện trở R hạn dòngphóng qua CE khi BJT dẫn điện trở lại. Diod D ít gặp trong thực tiễn, giá trị điện trở R từ 33 đến 150 ohmvà điện dung C có giá trị trong khoảng chừng 0.1 nF đến 10 nF nhờ vào điện áp và tần số thao tác. * Để làm nhanh quy trình chuyển mạch, nhờ đó tăng tần số thao tác và giảm tổn hao năng lợng, cần có mạch lái hiệu suất cao với những năng lực sau : – Giảm tON bng cách cỡng bức dòng cực nền cho BJT. – Giảm tOFF khi khng cho BJT bảo hòa sâu bng cách giữ vCE khng quá bé, phân phối IB vừađủ ; phân phối phơng tiện giải phóng điện tích mối nối BE đã đợcTrang 9 / Ch ng 2 â Hu nh V n Ki mH c kì 2 n m h c 2004 – 2005 nạp khi BJT dẫn điện. b. Vùng hoạt động giải trí antoàn của BJT ( SafeOperating Area ) ( hình II. 3.5 ) : Là vùng chứa cácđiểm ( IC, VCE ) của BJT khilàm việc mà khng bị hỏng, số lượng giới hạn bởi : – những giá trị cực đạiVCEmax, ICmax. – Gảy ( mối nối ) thứcấp ( second breakdown ), làtrờng hợp BJT bị h hỏngdo phát nóng cục bộ làmtăng dòng IC trong khi áp vẫncao, phân biệt với gảy sơ cấp ( primary ) khi phân cựcngợc. Hiện tợng này là kếtquả của nhiều nguyên do, xảy raVCEHình II. 3.5 : Vùng thao tác bảo đảm an toàn khi phân cực ( cực B ) thuận ( FBSOA ) của transistor GE-D67DEtrong quy trình đóng ngắt, nhất là với tải RL. Điều này nhấn mạch tính năng bảo vệ của mạch Snubber. b. Mạch lái MOSFET cng suất : Dz7v2MosFET cng suất có những u điểm : tầnsố thao tác cao hơn vì kênh dẫn điện khng có mối nối, mạch lái đơn thuần hơn vì tinh chỉnh và điều khiển bng áp – khng cầncng suất – hoàn toàn có thể kéo thẳng từ những vi mạch cấp điện 12 volt ( ví0 15 volt 47 22KD4 C4330pS R11510 / 3WH ình II. 3.6 : Mạch lái MOSFET 5 – 7 Adụ khuếch đại thuật toán hay CMOS ) khilàm việc ở BBĐ Flyback 50 kHz. khng cần tần số đóng ngắt cao. Để đạt tần số đóng ngắtlớn, mạch lái cần phân phối dòng nạp khimở MOSFET và tiêu tán điện tích cho những tụ điện mối nối khi tắt. Nh vậy những mạch lái MOSFET cũngcó nhu yếu tơng tự nh mạch lái BJT nhng chỉ có dòng trong chính sách quá độ và áp thao tác cao ( 0 10 volthay  10 volt ). C ¸ c h · ng chÕ t¹oTrang 10 / Ch ng 2 ươ http://www.khvt.comD n b i i n t cơng su t 1 bán dẫn cng suất đã sản xuất những module gồm có linh kiện cng suất, mạch lái và bảo vệ làm cngviệc của nhà phong cách thiết kế trở nên đơn thuần. II. 4 CáC LINH KIệN CÔNG SUấT MớI : Hình II. 4.1 – II. 4.3 lấy từ sách Power Electronics của M.H Rashid cho ta cái nhìn khá toàndiện về những loại linh kiện ĐTCS lúc bấy giờ. Nhìn chung, theo cấu trúc chúng vẫn thuộc hai họ Thyristor và Transistor. Vềhoạt động, chúng đóng vai trò của SCR ( chỉ kích dẫn ) hay ngắt điện bán dẫn một chiều ( khi hoàn toàn có thể điềukhiển khóa ). Hình II. 4.3 trình diễn ký hiệu cùng với m tả sơ lợc hoạt động giải trí, hình II. 4.1 phân loại theođặc tính. Có thể thấy là những linh kiện mới bổ trợ cng nghệ MOS vào bán dẫn cng cuất để : – Cải thiện vận tốc đóng ngắt, nâng cao năng lực chịu dòng, áp ví dụ nh IGBT có đặc tính tốt củaBJT và MOSFET. – Cung cấp và cải tổ đặc tính kích ngắt cho họ Thyristor, ví dụ nh GTO, SITH, MCTVới lu ý những đặc thù của một linh kiện nm trong nhiều mục khác nhau, ta hoàn toàn có thể suy ra đặctính cơ bản của nó. Hình II. 4.1 : So sánh đặc tính những linh kiện cng suất mớiTrang 11 / Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ểH c k × 2 n m h c 2004 – 2005 ọ ă ọH × nh II. 4.2 : Ph¹m vi øng dông hiÖn t¹i vµ triÔn väng cña c ¸ c linh kiÖn c ” ng suÊt míi. Trang 12 / Ch ng 2 ươ http://www.khvt.comD n b i i n t c ¬ ng su t 1 à à Đệ ử ấH × nh II. 4.3 : Tãmt¾t ® Æc tÝnh c ¸ clinh kiÖn c ” ngsuÊt míi. Trang 13 / Ch ng 2 ươ © Hu nh V n Ki mỳ ă ể

Source: https://baoduongdieuhoa24h.com
Category: Điện Tử