Tài liệu bải giảng điện tử công suất. tnut

CHƯƠNG I: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 1.1. Một số khái niệm chung: Chất bán dẫn: là chất mà trong nhiệt độ bình thường nó có độ dẫn điện giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Hiện nay, bán dẫn thường dùng là Silic, Silic tinh khiết có cấu trúc tinh thể rất bền vững. Ở nhiệt độ thấp, nó không có các điện tích tự do. Vì thế, Silic tinh khiết hoạt động như chất cách điện. Hỗn hợp Silic với các nguyên tố khác có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn điện của Silic. Một số hỗn hợp của Silic chứa thừa điện tích tự do và các điện tích này trở thành hạt dẫn điện, hỗn hợp này tạo thành chất bán dẫn loại N, mang điện tích âm. Một số hỗn hợp của Silic thiếu điện tử khi đó chúng tồn tại lỗ trống. Các lỗ trống này tạo thành thành phần dẫn điện chủ yếu. Hỗn hợp loại này tạo thành chất bán dẫn loại P, mang điện tích dương. Lớp tiếp giáp p-n: trong cùng một tinh thể chứa chuyển tiếp giữa hai chất bán dẫn loại P và N, ở vùng này không tồn tại các lỗ trống và các điện tử tự do. Ở trạng thái cân bằng vùng chuyển tiếp này tạo nên một điện trường bên trong hướng từ lớp N sang lớp P. Đặc tính V-A: biểu diễn quan hệ giữa dòng điện đi qua hai cực của linh kiện và điện áp giữa hai cực đó. Các giá trị điện áp và dòng điện này được hiểu là giá trị điện áp một chiều không đổi. Linh kiện bán dẫn công suất: Các linh kiện bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Trạng thái linh kiện dẫn điện (đóng) là trạng thái linh kiện có tác dụng như một điện trở bé (gần bằng không). Độ lớn dòng điện qua linh kiện phụ thuộc trạng thái mạch điện lúc linh kiện đóng và độ sụt áp trên linh kiện nhỏ không đáng kể (tối đa khoảng vài volt). Trạng thái linh kiện không dẫn điện (ngắt) là trạng thái linh kiện có tác dụng trong mạch như một điện trở rất lớn. Dòng điện đi qua linh kiện có độ lớn không đáng kể; độ lớn điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của mạch điện bên ngoài. 1 Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ (mA), gọi là dòng rò. Việc phân loại các van bán dẫn nay theo chức năng đóng, ngắt dòng điện và khả năng điều khiển các chức năng này có thể phân ra như sau:  Van không điều khiển như: diot, diac  Van có điều khiển, trong đó lại phân ra làm hai loại: - Điều khiển không hoàn toàn (chỉ điều khiển mở) như: tiristo, triac - Điều khiển hoàn toàn như: Tranzito (BJT), MOSFET, IGBT, GTO Nội dung khảo sát mạch điện tử công suất: Những yếu tố cần có để khảo sát được đó là: mạch điện tử công suất, tín hiệu điều khiển các van bán dẫn và đặc tính của phụ tải. Khi khảo sát thì ta đi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch, đưa ra được các giá trị tức thời, giá trị trung bình của dòng điện và điện áp trên tải, cũng như trên các phân tử van bán dẫn. Các đặc trưng về dòng điện và điện áp: - Giá trị tức thời: u(t) và i(t) - Giá trị cực đại: Uthmax , Ungmax , Itbmax - Giá trị trung bình: Utb ,Itb Các biểu thức tính toán dòng, áp trung bình: I tb  1 i(t)dt TT U tb  1 u(t)dt TT U 1 2  u(t)  dt TT - Giá trị hiệu dụng: U, I I 1 2  i(t) dt TT Các bộ biến đổi điện tử công suất: - Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều: Bộ chỉnh lưu. - Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều: Bộ điều áp xoay chiều. - Bộ biến đổi điện áp một chiều thành một chiều: Bộ biến đổi xung điện áp. - Bộ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều: Bộ nghịch lưu. 2 1.2. Điôt công suất: 1.2.1 Đặc điểm cấu tạo: Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp p-n. Điôt có hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu P, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu N. Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK dương. Khi điện áp UAK âm, dòng qua điôt gần như bằng không. Trong điôt do sự trung hòa điện tích giữa các lỗ trống và các điện tử tự do trong hai lớp bán dẫn P và N; Hình 1.1: Cấu tạo và kí hiệu điôt. và sau khi đạt trạng thái cân bằng thì bên trong điôt tồn tại một điện trường có hướng từ vùng n sang vùng p, điện trường này ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục các điện tử từ vùng n sang p. Điện trường E có giá trị nhỏ khoảng 0,65V (với tinh thể silic ở nhiệt độ 250C)(hình 1.2) Điôt công suất được chế tạo để chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định. Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo giống như lớp n, nhưng có ít các điện tử tự do hơn. Khi tiếp giáp p-n- được đặt dưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng n- điện trở tương đương của điốt càng lớn và dòng sẽ không thể chạy qua. Toàn bộ điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích. Lúc này điôt sẽ bị phân cực ngược (hình 1.3). Khi điện áp bên ngoài tạo ra điện trường ngoài có hướng ngược với điện trường trong E, vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài lớn hơn giá trị E này vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp đến bằng không và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc tinh thể của điôt. Ta nói điôt được phân cực thuận và dòng qua điôt sẽ phụ thuộc vào thành phần cấu trúc của mạch bên ngoài (hình 1.4). Hình 1.2: Vùng cách điện 3 Hình 1.3: Phân cực ngược Hình 1.4: Phân cực thuận 1.2.2. Đặc tính vôn-ampe của điôt: Thông qua đặc tính vôn-ampe cho ta biết một số tính chất của điôt trong quá trình làm việc của nó. Đặc tính gồm hai phần: - Đặc tính thuận nằm trong góc phần tư thứ I tương ướng với UAK > 0. - Đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ III tương ướng với UAK < 0. i A iD Dòng rò Ung.max u 0 UD0 0 u mA a) Đặc tính thực tế b) Đặc tính lý tưởng Hình 1.5: Đặc tính vôn-ampe của điôt Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dẫn từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện UD0 (cỡ 0,65V), dòng có thể chảy qua điôt. Dòng điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên điôt UAK hầu như ít thay đổi. Như vậy đặc tính thuận của điôt đặc trương bởi tính chất có điện trở tương đường nhỏ. Các thông số quan trọng trên nhánh thuân là: giá trị điện áp ngưỡng UD0 và giá trị điện trở tương đương khi điôt dẫn dòng rD. 4 Trong đó: rD  U I D (xác định tại một điểm trên đặc tính) Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ không đến giá trị Ung.max, gọi là điện áp ngược lớn nhất, thì dòng qua điôt vẫn có giá trị nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt cản trở dòng điện chạy qua theo chiều ngược. Khi điện áp UAK đạt giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của điôt bị phá vỡ. Quá trình này không có tính chất đảo ngược, nghĩa là nếu ta lại giảm điện áp UAK thì dòng điện vẫn không giảm. Ta nói điôt bị đánh thủng. Các thông số quan trọng trên nhánh ngược là: giá trị điện áp ngược lớn nhất Ung.max và giá trị điện trở ngược của của điôt rng. 1.2.3. Đặc tính động của điôt: Trong các hiện tượng quá độ của điôt, quá trình điôt chuyển từ trạng thái dẫn dòng sang trạng thái ngắt dòng có ý nghĩa quan trọng. Đây gọi là quá trình chuyển mạch của điôt (ngắt điôt) Khi đặt điện áp UAK > 0 lên điôt thì nó đang dẫn dòng theo chiều thuận. Nếu đảo chiều điện áp khi đó dòng thuận qua điôt sẽ tắt nhanh, quá trình ngắt sẽ không diễn ra theo đặc tính V-A mà theo đặc tính như hình 1.6. Hình 1.6: Đặc tính ngắt của điôt. Khi đó dòng điện thuận qua điôt ID giảm về 0, dòng qua điôt không tắt ngay mà tiếp tục dẫn theo chiều ngược lại với tốc độ giảm ban đầu (trung hòa điện tích ở lớp tiếp giáp p-n). Sau một thời gian ngắn, khả năng dẫn điện theo chiều ngược bị mất (tiếp giáp p-n phân cực ngược), dòng điện giảm về giá trị dòng điện rò. Lúc này điôt đã khôi phục khả năng chịu điện áp ngược, hay khôi phục tính chất khóa. Các thông số đặc trưng cho qua trình chuyển mạch điôt: - Điện tích phục hồi Qr (phần gạch chéo trên hình 1.6) là lượng điện tích tích lũy trong điôt trong quá trình thuận cần phải trung hòa. Độ lớn của Qr phụ thuộc vào cấu trúc bán dẫn của điôt và công nghệ sản xuất nó. 5 - Dòng chuyển mạch hay dòng phục hồi Ir, phụ thuộc vào gia tốc dòng điện di/dt khi giảm dòng. - Thời gian phục hồi tr , phụ thuộc vào giá trị của điện tích chuyển mạch Qr. 1.2.4. Các thông số cơ bản của điôt: a) Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua điôt theo chiều thuận ID Vì dòng điện chạy qua điôt làm phát nóng tinh thể bán dẫn của nó. Dòng điện một chiều đi qua điôt sẽ làm ảnh hưởng đến công suất phát nhiệt của điôt theo tỉ lệ thuận. Vì vậy đây là thông số quan trọng để lựa chọn điôt trong thực tế. b) Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được Ung.max. Khi nghiên cứu đặc tính V-A của điôt giá trị điện áp ngược ảnh hưởng đến khả năng làm việc của điôt không bị đánh thủng. Thông thường phải luôn đảm bảo sao cho UAK < Ung.max. c) Tần số. Quá trình phát nhiệt của điôt còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của nó. Trong quá trình điôt mở ra hoặc khóa lại, tổn hao công suất tức thời u(t).i(t) có giá trị lớn hơn lúc điôt dẫn dòng hoặc bị khóa. Vì vậy tần số đóng cắt cao mà thời gian đóng cắt so sánh được với thời gian dẫn dòng thì tổn thất trên điôt lại bị quy định chủ yếu bởi tần số làm việc mà không phải giá trị trung bình của dòng điện. d) Thời gian phục hồi tr và điện tích phục hồi Qr. Các điôt khi khóa lại có dòng ngược để di chuyển lượng điện tích Qr ra khỏi cấu trúc bán dẫn, phục hồi khả năng khóa của mình. Thời gian phục hồi tr có thể kéo dài ảnh hưởng quá trình chuyển mạch của các van, làm tăng tổn thất trong quá trình đóng cắt các van. Đây là hai thông số quan trọng cần chú ý trong quá trình khóa lại của điôt. 6 1.3. Thyristor: 1.3.1. Đặc điểm cấu tạo: Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3. Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực điều khiển (G-Gate) như được biểu diễn trên bên. Nếu đặt vào hai cực A-K một điện áp dương UAK > 0 thì hai lớp J1 và J3 sẽ được phân cực thuận do sự trung hòa điện tích ở hai lớp này. Lớp J2 sẽ bị phân cực ngược và sinh ra sức điện động ngược chiều điện trường ngoài làm cho thyristor không dẫn dòng. Lúc này muốn có dòng chạy qua thyristor cần phải đưa thêm điện áp giữa hai cực G-K một điện áp Uđk > 0. Sau khi thyristor đã dẫn dòng thì mất xung điều khiển nó vẫn duy trì trạng thái dẫn. Nếu điện áp đặt vào thyristor UAK > [U] thì điện trường bên ngoài sẽ lớn hơn điện trường do lớp J2 sinh ra. Thyristor xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anôt-catôt giảm đột ngột và nó sẽ dẫn dòng mà không cần có xung điều khiển đưa vào cực G. Nếu điện áp UAK < 0: hai lớp J1 và J3 sẽ bị phân cực ngược và lớp J2 được phân cực thuận. Lúc này thyristor giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược và chỉ có dòng rò chảy qua thyristor. Giống như điôt khi mà UAK lớn hơn một giá trị cho phép Ungmax thì dòng điện ngược Ing qua thyristor tăng vọt lên và thyristor bị cũng bị đánh thủng. 1.3.2. Đặc tuyến Vôn-Ampe của thyristor: 7 Đặc tuyến V-A của thyristor cũng giống với đặc tuyến của điôt; gồm hai vùng là điện áp thuận và điện áp ngược đặt lên thyristor (hình 1.8) Trên nhánh thuận ta có thể xác định được giá trị điện áp thuận lớn nhất đặt vào thyristor mà làm cho nó mở tự nhiên UTthmax, đây chính là giá trị điện áp cho phép của thyristor [U]. Vì vậy thyristor khi làm việc luôn phải thỏa mãn điều kiện UAK < [U] và để nó làm việc được cần có Uđk đưa vào cực G. Và giá trị của điện áp điều khiển này được nhà sản xuất đưa ra với điều kiện thỏa mãn Uđkđm và Iđkđm. Giá trị điện áp điều khiển sẽ tỷ lệ nghịch với điện áp UAK. Trên nhánh ngược ta có thể xác định được giá trị điện áp ngược lớn nhất Ungmax. Trong thực tế thì mỗi một thyristor có một giá trị điện áp ngược làm việc hay điện áp ngược lặp lại và tương ứng với một giá trị dòng điện ngược cho phép. Giá trị này còn phụ thuộc vào nhiệt độ của thyristor (tỷ lệ nghịch) vì vậy vấn đề làm mát thyristor là rất quan trọng để có thể tăng hiệu suất của nó. 1.3.3. Điều kiện mở và khóa thyristor: Thyristor chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ Anode đến Cathode, và không được chạy theo chiều ngược lại. Điều kiện để Thyristor có thể dẫn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn phải thỏa mãn điều kiện là điện áp điều khiển dương. Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển. a) Mở thyristor: Để xem xét điều kiện mở thyristor ta đi xét các điều kiện để thyristor dẫn dòng. Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor có thể dẫn dòng theo ba cách. Thứ nhất là có thể tăng điện áp Anode-Cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất (Uth.max) Thyristor sẽ dẫn dòng giống như một điôt. Phương pháp này trên thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn. Thứ hai là nếu đặt vào điện áp biến thiên UAK < Uthmax nhưng điện áp này lại thỏa mãn điều kiện gia tốc điện áp lớn hơn gia tốc điện áp cho phép thì thyristor sẽ mở mà không cần có điện áp đưa vào cực điều khiển của thyristor. Đây là trường 8 hợp không mong muốn và xảy ra trong quá trình làm việc vì vậy cần có mạch bảo vệ để loại trừ. Phương pháp thứ ba, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực Gate và Cathode. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp Anode-Cathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua Anode-Cathode lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điểu khiển. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện. b) Khóa thyristor: Cũng giống như điôt, khi thyristor đang dẫn dòng muốn cho nó khóa lại thì cần phải cho dòng điện chạy qua nó giảm về không; có thể thực hiện được theo hai cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc đặt một điện áp ngược lên giữa Anode và Cathode của Thyristor. Và duy trì trạng thái này trong một khoảng thời gian cần thiết được gọi là thời gian khóa tk thì thyristor mới khóa hoàn toàn. Ở đây lớp J2 là lớp quyết định, để khóa thyristor cần phải trung hòa điện tích ở lớp tiếp giáp này. Khi dòng điện giảm về không thì nó chưa trở về trạng thái ban đầu vì vậy cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của Thyristor. 1.3.4. Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển: Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển G và Cathode với dòng đi vào cực điều khiển xác định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor. Với cùng một loại Thyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển (ví dụ như hình 1.9) trên đó có thể thấy được các đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhất ứng với một nhiệt độ môi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để chắc chắn mở được một Thyristor. Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển và Cathode cũng làm phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về công suất. Công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào độ rộng của xung điều khiển. Tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộng 9 càng ngắn thì công suất cho phép có thể càng lớn. Sơ đồ tiêu biểu của một mạch khuếch đại xung điều khiển Thyristor được cho trên hình 1.10. Khóa Transistor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng nhất định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của Thyristor ở phía bên cuộn thứ cấp. Như vậy mạch lực được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế dòng qua Transistor và xác định nội trở của nguồn tín hiệu điều khiển. Diode D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp xung khi Transistor T khóa lại để chống quá áp trên T. Diode D2 ngăn xung âm vào cực điều khiển. Diode D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng giảm quá áp trên tiếp giáp G-K khi Thyristor bị phân cực ngược. 1.3.5. Các thông số cơ bản của thyristor: Các thông số cơ bản là các thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một Thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó. a) Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor, Iv. Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra, Thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần sau, ta có thể lựa chọn dòng điện theo các phương án sau: - Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến một phần ba dòng Iv. 10 - Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng hai phần ba dòng Iv. - Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng Iv. b) Điện áp ngược cho phép lớn nhất: Ung.max. Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thyristor. Tại bất kỳ thời U AK luôn nhỏ hơn. Để đảm bảo một độ điểm nào điện áp giữa Anode-Cathode dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó. c) Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor, tr ( s): Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa Anode-Cathode của Thyristor sau khi dòng Anode-Cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà Thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của Thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần tr. d) Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/ s) K n G Thyristor được sử K n p dụng như một phần tử J3 J2 n- CJ2 Thyristro được phân J1 i=CJ2(du/dt) p có điều khiển, tức cực thuận (UAK > 0) và có tín hiệu điều khiển A thì nó mới cho phép Hình 1.11. Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điềều khiểndòng điện chạy qua. Nhưng khi Thyristor được phân cực thuận chưa có Uđk thì phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như được chỉ ra trên hình 1.11. Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, tạo ra 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 có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ điện có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là Thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. 11 Tốc độ tăng điện áp là một thông số để phân biệt giữa Thyristor tần số thấp với các Thyristor tần số cao. Ở Thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 v/s; với các Thyristor tần số cao dU/dt có thể đạt 500 đến 2000 V/s. dI (A. s) dt Khi Thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn e) Tốc độ tăng dòng cho phép , của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt Thyristor tần số thấp, có dI/dt cỡ 50 ÷ 100 A/s, với các Thyristor tần số cao với dI/dt cỡ 500 ÷ 2000 A/s. Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng. 1.4. Triac. T2 i(A) T2 n Iv p bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc p-n- Idt R n u 0 p G n Uv,th p-n như ở Thyristor theo cả hai chiều giữa G - T1 Uth,max G (a) T1 các cực T1 và T2 như được thể hiện trên hình 1.12a. Triac có ký hiệu trên sơ đồ như + n Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc T2 b) b) T1 a) c) Hình 1.13. Triac: a) Đặc tnh vôn-ampe Hình Triac: Câấubằềtrúc bán dâẫ ệu; b) 1.12. Điềều khi ển a) triac ng dòng điềềnu; b) khiKý ểnhiâm c) Sơ đôề tương đương với 2T song song ngược trên hình 1.12b, có thể dẫn dòng theo cả hai chiều T1 và T2. Về nguyên tắc, Triac hoàn toàn có thể coi là tương đương với hai Thyristor đấu song song ngược như trên hình 1.12c. 12 Đặc tính vôn-ampe của Triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một Thyristor như được biểu diễn trên hình 1.13a. Triac có thể điều khiển mở dẫn dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, tức là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2 phải lớn hơn một giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac, sử dụng xung điều khiển âm là tốt hơn cả. Nguyên lý thực hiện điều khiển bằng xung dòng điều khiển âm được biểu diễn trên hình 1.13b. Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các công-tắc-tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ. 1.5. Thyristor khóa được bằng cực điều khiển, GTO (Gate Turn-off Thyristor). 1.5.1. Đặc điểm cấu tạo: A (Anode) Các GTO, như tên gọi của nó, nghĩa là khóa lại được bằng cực điều p+ n+ n+ p+ n+ A p+ J1 khiển, có khả năng đóng cắt các dòng n điện rất lớn, chịu được điện áp cao V J2 p n+ giống như Thyristor, là một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả p+ n+ n+ G (Gate) G J3 a) K b) K (Cathode) thời điểm khóa dưới tác động của tín hiệu điều khiển. Việc ứng dụng các Hình 1.14. GTO: GTO đã phát huy ưu điểm cơ bản của a) Câấu trúc bán dâẫn; b) Ký hiệu các phần tử bán dẫn, đó là khả năng đóng cắt dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ. Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với Thyristor như được chỉ ra trên hình 1.14. Ký hiệu của GTO cũng chỉ ra tính chất điều khiển hoàn toàn của nó. Đó là dòng điện đi vào cực điều khiển để mở GTO, còn dòng đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, để khóa GTO lại. Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, Anode được bổ sung các lớp n+. Dấu “+” ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử, được 13 làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này. Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp n+ của Cathode. Khi chưa có dòng điểu khiển, nếu Anode có điện áp dương hơn so với Cathode thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của Thyristor. Tuy nhiên nếu Cathode có điện áp dương hơn so với Anode thì tiếp giáp p+-n ở sát Anode sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược. 1.5.2. Điều khiển GTO: GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở Thyristor thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO cao hơn ở Thyristor thường. Do đó, dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì. Giống như ở Thyristor thường, sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy, có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể. +15V IG A T1 V t IG’max R1 G C1 Më T2 KhãaDZ12V a) b) được lấy ra từ cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số V K G 15V 0V Để khoá GTO, một xung dòng phải A lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá "vũ bão" tạo nên K vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di Hình 1.15. Nguyền lý điềều khiển GTO: chuyển từ Cathode, vùng n+ đến Anode, a) YềuHình câều 1.16 dạngMxung ển; ạch điềề điềều u khi khiể n GTO vùng p+, tạo nên dòng Anode. Bằng cách b) Nguyền lý thực hiện lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của Anode và vùng n+ của Cathode. Kết quả là dòng Anode sẽ bị giảm cho đến khi bằng 0. Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khóa. Yêu cầu về xung điều khiển và nguyên tắc thực hiện được thể hiện trên hình 1.15. Hình 1.15a thể hiện xung dòng khoá GTO phải có biên độ rất lớn, vào khoảng 20 ÷ 25% biên độ dòng Anode-Cathode. Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn xung rất lớn, sau khoảng 0,5 ÷1s. Điều này giải 14 thích tại sao nguyên lý thực hiện tạo xung dòng khoá là nối mạch cực điều khiển vào một nguồn dòng. Về nguyên tắc, nguồn dòng có nội trở bằng không và có thể cung cấp một dòng điện vô cùng lớn. Sơ đồ đơn giản trên hình 1.16 mô tả việc thực hiện nguyên lý điều khiển trên. Mạch điện dùng hai khoá Transistor T1, T2. Khi tín hiệu điều khiển là 15V, T1 mở, dòng chạy từ nguồn 15V qua điện trở hạn chế R1 nạp điện cho tụ Cl tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO. Khi tụ C1 nạp đầy đến điện áp của diode ổn áp Dz (12V), dòng điều khiển kết thúc. Khi tín hiệu điều khiển 0V đưa vào cực gốc T1, T2. T2 sẽ mở do có điện áp trên tụ C1, tụ C1 bị ngắn mạch qua cực điều khiển và Cathode, Transistor T2 tạo nên dòng đi ra khỏi cực điều khiển, khoá GTO lại. Diode Dz ngăn không cho tụ C, nạp ngược lại. Ở đây vai trò của nguồn áp chính là tụ Cl, do đó tụ Cl phải chọn là loại có chất lượng rất cao. Transistor T2 phải chọn là loại chịu được xung dòng có biên độ lớn chạy qua. 1.6. Tranzito công suất, BJT (Bipolar Junction Tranzitor) 1.6.1. Đặc điểm cấu tạo: Hình 1.17: Cấu tạo và ký hiệu của BJT. Tranzito có hai lớp P-N, dựa theo cấu tạo lớp này ta phân biệt hai loại tranzito: tranzito PNP và tranzito NPN. Tranzito có ba cực là: Base (B), Colecttor (C), Emitter (E).Các lớp PN giữa từng điện cực được gọi là lớp emitter J1 và lớp collector J2. Mỗi lớp có thể được phân cực theo chiều thuận hoặc chiều ngược dưới tác dụng 15 của điện thế bên ngoài. Sự dịch chuyển của dòng collector iC khi qua lớp tiếp giáp bị phân cực ngược chịu ảnh hưởng rất lớn của dòng kích thích iB dẫn dòng qua lớp phân cực thuận. Hiện tượng này tạo thành tính chất cơ bản được sử dụng nhiều của tranzito và được gọi là hiện tượng điều chế độ dẫn điện của lớp tiếp giáp bị phân cực ngược. Nhưng trong lĩnh vực điện tử công suất, tranzito BJT được sử dụng như công tắc đóng ngắt các mạch điện. Các điện cực C, E được sử dụng làm công tắc đóng mở mạch công suất. Khi điều khiển mở tranzito thì đưa vào giữa hai điện cực B, E một điện áp điều khiển uBE. Điện thế điều khiển phải có tác dụng tạo ra dòng bazơ iB chảy qua tiếp giáp BE, nó có tác dụng kích thích để tạo nên dòng collector iC và mở tranzito ở trạng thái bão hòa khi đó điện áp giữa cực C,E đạt giá trị rất nhỏ, cỡ 1-1,5V, gọi là điện áp bão hòa. Khi điều khiển khóa tranzito ta có thể thực hiện theo ba cách: - Ngắt điện áp điều khiển uBE, lúc này mất dòng điều khiển iB và tranzito khóa lại điện áp trên tiếp giáp C-E là uCE bằng điện áp đặt vào. - Đưa điện trở giữa bazơ và emitor - Đặt điện áp ngược lên tiếp giáp B – E. 1.6.2. Đặc tính Vôn – Ampe của tranzito: Đặc tính V – A biểu thị quan hệ giữa dòng iC qua chuyển mạch theo điện áp UCE trên cực của nó, với các giá trị của dòng điều khiển iB là khác nhau. Các đặc tính ngõ ra có ba miền phân biệt. - Vùng đóng: đặc tính ra với thông số iB = 0 nằm trong vùng này. Tranzito ở chế độ khóa. Dòng collector iC có giá trị nhỏ không đáng kể đi qua. Khi uBE < 0, không có dòng kích thích, tranzito ở trạng thái khóa, và độ lớn dòng iC Hình 1.18. Đặc tính V – A giảm nhỏ hơn nữa. Tuy nhiên, khả năng chịu áp ngược của lớp B – C khá nhỏ. Do đó , cần hạn chế điện áp âm trên BE để nó không vượt quá giá trị cho phép. 16 - Vùng bão hòa: như trên hình vẽ trong đó, đường thẳng là giới hạn xác định điện thế uCE nhỏ nhất có thể đạt được ứng với giá trị iC cho trước. Giới hạn bão hòa là đường thẳng xác định ranh giới của các trạng thái uCB = 0 và uCB > 0. Nếu như điểm làm việc nằm trong vùng bão hòa, tranzito sẽ mở, dòng iC dẫn và điện thế uCE đạt giá trị không đáng kể (gân bằng 0). Và khi thực hiện tăng dòng kích thích thì dòng iC hầu như không thay đổi, tranzito mở bão hòa. - Vùng tuyến tính: là vùng mà tranzito là việc ở chế độ khếch đại tín hiệu. Mối quan hệ giữa hai đại lượng uCE và iC phụ thuộc vào tải và dòng iB. Khi đó tranzito là việc như một công tắc đóng mở. 1.6.3. Đặc tính đóng cắt của tranzito: Khảo sát các hiện tượng quá độ khi đóng và ngắt tranzito có ý nghĩa quan trọng. Một hệ quả bất lợi trong các hiện tượng quá độ là việc tạo nên công suất tổn hao do đóng ngắt tranzito. Công suất tổn hao làm giới hạn dải tần số hoạt động của tranzito. Chế độ đóng cắt của Transistor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC. Ta phân tích quá trình đóng cắt của một Transistor qua sơ đồ khoá trên hình 1.19a, trong đó Transistor đóng cắt một tải thuần trở Rt U B2 U B1 U n dưới điện áp điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ đến và ngược lại. Dạng sóng dòng điện, điện áp cho trên hình 1.19b. 17 uB +Un UB1 t UB2 Rt UBE(t) 0,7V CBC t iC(t) UB2 uB(t) iB(t) IB1(t) B UB1 t C iB(t) RB UB2 E CBE (a) uCE(t) IB2(t) +Un H×nh 1.19. Qu¸ tr×nh ®ãng-c¾t mét BJT t Un-IC,bh.Rt a/- S¬ ®å IC,bh iC(t) (b) b/- D¹ng sãng dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p t (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) a) Quá trình mở BJT: Theo đồ thị ở hình 1.19, trong khoảng thời gian (1), BJT đang trong chế độ khoá với điện áp ngược U B2 khi tín hiệu điều khiển nhảy từ vào, giá trị tương đương bằng U B1 . Khi I C và đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu U B2 lên mức U B1 . Trong khoảng (2), tụ đầu Cin  CBE  CBC , nạp điện từ điện áp U B2 đến U BE còn nhỏ hơn không, chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với U CE . Tụ Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U * của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 ÷ 0,7V, bằng điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc. Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi U BE giá trị không ở đầu giai đoạn (3). Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td  on của BJT. Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ Emitter thâm nhập vào vùng Base, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng Collector. Các điện tử thoát ra khỏi Collector càng làm tăng thêm các điện tử đến từ Emitter. Quá trình tăng dòng IC , I E tiếp tục xảy ra cho đến khi trong Base đã tích lũy đủ lượng điện tích 18 dư thừa QB mà tốc độ tự trung hòa của chúng đảm bảo một dòng Base không đổi: I B1  U B1  U * RB Tại điểm cộng dòng điện tại Base trên sơ đồ hình 1.18a, ta có: I B1  iC . BE  iC . BC  iB trong đó: iC .BE là dòng nạp của tụ CBE, iC . BC là dòng nạp của tụ C , BC iB iC   iB là dòng đầu vào của Transistor, Dòng Collector tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là I C ( ) =  .I B1 IC . Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng giá trị bão hòa, IC.bh , BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện đã đạt đến iC   iB không còn tác dụng nữa. Trong chế độ bão hòa cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Vì khoá làm việc với tải trở trên Collector nên điện áp trên Collector - Emitter IC VCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng . Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn của dòng I B1 , dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn. Trong khoảng (4), phần cuối của điện áp U CE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hòa cuối cùng xác định bởi biểu thức: U CE  U n  I C .bh .R1 Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n  và phụ thuộc cấu tạo của BJT; Trong giai đoạn ( 5): BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hòa. b) Quá trình khóa BJT: Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hòa, điện tích tích tụ không chỉ trong lớp Base mà cả trong lớp Collector. 19 U B1 Khi điện áp điều khiển thay đổi từ xuống U B2 ở đầu giai đoạn (6), điện tích tích lũy trong các lớp bán dẫn không thể thay đổi tức thời. Dòng I B lúc này sẽ có giá trị: I B2  U B2  U * RB I B2 Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp giáp Base-Collector giảm về bằng không và sau đó tiếp giáp nay bắt đầu bị phân cực td  off  ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá, . I C bắt đầu giảm về bằng không, điện Trong khoảng (7), dòng Collector áp U n . Trong khoảng này BJT làm việc trong U CE sẽ tăng dần tới giá trị chế độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng Base. Tụ giá trị điện áp ngược, bằng trên sơ đồ hình 1.18a, ta có: CBC bắt đầu nạp tới U n . Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại vùng Base I B2  I C .BC  iB I C .BC là dòng nạp của tụ CBC ; iB là dòng đầu vào của I C   .iB vẫn được thực hiện. Tiếp giáp BTransistor. Từ đó có thể thấy quy luật Trong đó: E vẫn được phân cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. Đến cuối khoảng (7) Transistor mới khoá lại hoàn toàn. Trong khoảng (8), tụ Base-Emitter tiếp tục nạp tới điện áp ngược U B2 Transistor ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9). c) Dạng tối ưu của dòng điều khiển khoá Transistor : Transistor có thể khoá lại bằng cách cho điện áp đặt giữa Base-Emitter bằng không, tuy nhiên có thể thấy rằng khi đó thời gian khoá sẽ bị kéo dài đáng kể. Khi dòng I B2  0 , toàn bộ điện tích tích lũy trong cấu trúc bán dẫn của Transistor sẽ suy giảm dần dần tới khi Transitor có thời gian khóa. Có thể rút ngắn thời gian mở, khoá Transistor bằng cách cưỡng bức quá trình di chuyển điện tích nhờ dạng dòng điện 20