Tài liệu Bài báo cáo-chế tạo nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới

  • Số trang: 62 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 83 |
  • Lượt tải: 1
quangtran

Đã đăng 3721 tài liệu

Mô tả:

§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp §¹i häc quèc gia hµ néi Tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ Giang Cao S¬n ChÕ t¹o nguån xung l−ìng cùc cho thÝ nghiÖm c«ng nghÖ m¹ míi Kho¸ luËn tèt nghiÖp ®¹i häc hÖ chÝnh quy Ngµnh: §iÖn tö-ViÔn th«ng C¸n bé h−íng dÉn: TS. NguyÔn ViÖt Dòng Hµ néi-2005 Giang Cao S¬n K46§C 1 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp TÓM TẮT NỘI DUNG KHOÁ LUẬN Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật và lựa chọn phương án thiết kế để chế tạo thiết bị: “ Nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới” Các công việc chính được thực hiện là: 1. Thiết kế bộ phát xung vuông có tần số và độ rộng thay đổi được - Khảo sát một số nguyên lý tạo xung - Tìm hiểu IC LM3524 và thiết kế máy phát xung dùng IC này 2. Thiết kế tầng đệm công suất và tầng công suất nhằm tạo xung công xuất lưỡng cực lối ra - Khảo sát các linh kiện đóng mở cho nguồn một chiều: Như Tranzito, Tranzito MOSFET, GTO, IGBT. - Lựa chọn phương án dùng MOSFET làm công suất. 3. Thiết kế nguồn ổn áp một chiều điện áp ra biến đổi được từ 0V đến ± Ura max - Khảo sát nguyên tắc ổn áp cổ điển và ổn áp xung. - Tìm hiểu IC ổn áp LM317 và thiết kế nguồn ổn áp dựa trên nó. 4. Những việc bổ trợ cần thiết cho việc chế tạo hoàn chỉnh một thiết bị thí nghiệm - Các mạch đo, chỉ thị điện áp, dòng, tần số. Đặc biệt có tính đến phần cơ khí vỏ máy, lắp ráp và tiện lợi cho người sử dụng. 5. Kết quả - Về thiết bị và các ứng dụng. Giang Cao S¬n K46§C 2 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp MỤC LỤC 1 Xuất xứ đề tài Chương 1: Tìm hiểu nhiệm vụ và lựa chọn phương án thiết kế 3 1.1. Tìm hiểu nhiệm vụ 1.1.1. Sơ lược kỹ thuật mạ xung 3 1.1.2. Sơ đồ khối tổng quát 4 1.1.2.1. Phân tích sơ đồ khối 4 5 1.2. Khảo sát các linh kiện điện tử 1.2.1. TIRISTO khoá được bằng cực điều khiển, GTO (Gate Turn Off 5 Tiristo) 1.2.1.1. Cấu trúc bán dẫn 6 1.2.1.2. Đặc tính đóng cắt 6 1.2.2. Tranzito lưỡng cực công suất 7 1.2.2.1. Cấu trúc bán dẫn 7 1.2.2.2. Đặc tính đóng cắt 8 1.2.3. Tranzito trường MOSFET 10 1.2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 10 1.2.3.2. Đặc tính tĩnh 11 1.2.3.3. Đặc tính đóng cắt 12 Giang Cao S¬n K46§C 3 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.4. Tranzito có cực điều khiển cách ly, IGBT (Insulated Gate Bibolar 13 Tranzito) 1.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 13 1.2.4.2. Đặc tính đóng cắt 14 1.2.4.3. Yêu cầu với tín hiệu điều khiển 15 1.2.5. So sánh tương đối các phần tử bán dẫn công suất 16 1.2.6. Vấn đề toả nhiệt cho linh kiện công suất 17 1.2.6.1. Mô hình truyền nhiệt 18 1.2.6.2. Tính toán toả nhiệt 20 1.2.7. Vấn đề chung về dao động và khảo sát IC LM3524 21 1.2.7.1. Các vấn đề chung về dao động 21 1.2.7.2. Một số mạch tạo xung vuông 22 1.2.7.3. Máy phát xung với tần số và độ rộng có thể thay đổi được, sử 24 dụng IC LM3524 1.2.8. Khảo sát nguyên tắc ổn áp cổ điển và ổn áp xung 27 1.2.8.1. Ổn định điện áp 27 1.2.8.2. Ổn áp tham số dùng điôt Zener 28 1.2.8.3. Ổn áp kiểu bù dùng bộ khuyếch đại có điều khiển 29 1.2.8.4. Ổn áp xung 31 Giang Cao S¬n K46§C 4 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.9. Lựa chọn phương án thiết kế 32 Chương 2: Chế tạo nguồn xung lưỡng cực 2.1. Thiết kế và phân tích sơ đồ khối chi tiết 34 2.1.1. Sơ đồ khối chi tiết 34 2.1.2. Phân tích nguyên lý hoạt động sơ đồ khối chi tiết 34 2.2. Thiết kế và phân tích nguyên tắc hoạt động sơ đồ nguyên lý 36 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý 36 2.2.2. Phân tích nguyên tắc hoạt động sơ đồ nguyên lý 36 2.2.2.1. Phân tích nguyên tắc hoạt động phần tạo xung điều khiển 36 2.2.2.2. Phân tích nguyên tắc hoạt động phần công suất 44 2.2.2.3. Phân tích nguyên lý hoạt động phần nguồn ổn áp công suất 48 2.2.2.4. Nguồn ổn áp nuôi cho mạch điều khiển 49 2.3. Tính toán toả nhiệt cho các linh kiện công suất 49 2.4. Kết cấu thiết bị 51 2.4.1. Lựa chọn các phụ kiện trên mặt máy 51 2.4.2. Thiết kế vỏ thiết bị và lắp ráp 51 Kết luận và đánh giá kết quả đạt được của khoá luận 52 Tài liệu tham khảo 53 Giang Cao S¬n K46§C 5 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp XUẤT XỨ ĐỀ TÀI Công nghệ mạ điện là công nghệ đã được sử dụng rộng rãi từ lâu trên thế giới và Việt Nam để phục vụ cho những mục đích khác nhau của công nghiệp và đời sống. Trong hai thập kỷ gần đây, ở các nước công nghiệp phát triển người ta đã tiến hành nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mạ tiên tiến đó là công nghệ mạ xung vào thực tế sản xuất, trong đó công nghệ tạo màng và lớp phủ có cấu trúc nanô bằng kỹ thuật xung cũng không nằm ngoài trào lưu này nhờ vào tính ưu việt của kỹ thuật mạ xung. 1.Ý nghĩa của kỹ thuật mạ xung *) Tạo ra các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn cao Các lớp phủ kim loại chế tạo bằng kỹ thuật mạ xung có thể nhận được cấu trúc Submicro và nanô, lớp mạ mịn, độ rỗ nhỏ, độ đồng đều của lớp mạ hoàn hảo, độ cứng tăng, chiều dầy lớp phủ giảm và việc lựa chọn thành phần hợp kim dễ dàng nhờ vào sự thay đổi các thông số của kỹ thuật xung [5]. *) Sử dụng vào mục đích trang trí Các lớp phủ vàng, bạc và hợp kim…. Có độ bóng cao mà không cần sử dụng các chất tạo bóng, đồng đều, mỏng, rất thích hợp cho mục đích trang trí [6]. *) Tạo các màng có cấu trúc nanô Đây là một công nghệ rất mạnh để chế tạo những màng mỏng hợp kim có tính chất từ như NiFe, CoFeNi, NiFeB… sử dụng trong các nghành công nghiệp khác nhau và trong đời sống [4]. *) Sử dụng trong công nghiệp điện tử Kỹ thuật mạ xung được sử dụng từ lâu trong nghành công nghiệp điện tử như mạ mạch in, tiếp điểm…chúng có thể mạ trên lỗ và các địa hình phức tạp một cách dễ dàng. Ngày nay với tính ưu việt của lớp mạ có cấu trúc nanô, kỹ thuật này đang được sử dụng rất mạnh trong nghành MEMS(Microelectro Mechanic System) cũng như chế tạo sensor [7]. Trong thời gian gần đây, Phòng ăn mòn và bảo vệ vật liệu – Viện khoa học vật liệu- đã nghiên cứu kỹ thuật mạ xung. Để tạo ra lớp mạ có cấu trúc Submicro và nanô là rất quan trọng và cần thiết trong khi ở Việt Nam hầu như chưa có cơ sở nào nghiên cứu và sử dụng công nghệ này. Vì vậy phải có nhu cầu tất yếu là chế tạo nguồn xung lưỡng cực phục vụ cho kỹ thuật mạ mới này. Việc chế tạo “Nguồn xung lưỡng cực” không nằm ngoài mục đích phục vụ cho đề tài nghiên cứu kỹ thuật mạ xung của Phòng thí nghiệm ăn mòn và bảo vệ vật liệu thuộc Viện khoa học vật liệu. Giang Cao S¬n K46§C 6 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 2.Nhiệm vụ chế tạo “ Nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới” Với lý do phục vụ cho mục đích thí nghiệm, cho nên cần chế tạo nguồn với xung lối ra có dải làm việc rộng, người sử dụng có nhiều sự lựa chọn các thông số khác nhau, phục vụ cho yêu cầu thí nghiệm. - Tần số xung ra 1Hz ÷ 1500Hz - Xung lối ra là xung vuông lưỡng cực có thể điều chỉnh được độ rộng - Thời gian nghỉ sau một cặp xung lưỡng cực là 1 ÷ 512 lần của chu kỳ - Biên độ từ 0 ÷ 15V - Dòng cực đại 15A - Thiết bị này phải được kết cấu vững chắc và tiện lợi khi thí nghiệm Giang Cao S¬n K46§C 7 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1.TÌM HIỂU NHIỆM VỤ 1.1.1. Sơ lược kỹ thuật mạ xung Kỹ thuật mạ thông thường được dùng từ nhiều thập kỷ trước đây và cho đến ngày nay vẫn còn sử dụng đó là kỹ thuật mạ sử dụng dòng điện một chiều tức là dòng điện liên tục. Kỹ thuật mạ xung là kỹ thuật chế tạo lớp phủ bằng cách dùng dòng điện không liên tục, nó cho phép sử dụng mật độ dòng mạ cao hơn rất nhiều do mạ xung có tốc độ tạo mầm cao và cho phép cải thiện các đặc tính của kim loại hay hợp kim so với lớp mạ truyền thống (dòng một chiều). Dạng dòng xung được sử dụng nhiều nhất là xung vuông. Chế độ mạ xung đơn giản nhất được biểu diễn trên hình 1. Quá trình khuếch tán JC Tnghỉ Quá trình Faraday T+ Nạp lớp kép Phóng điện lớp kép V J JM 0 T 0 t t Hình 2. Đường cong thế tại catot Hình 1. Chế độ xung đơn Chế độ này được xác định bởi các thông số điện: - T+ : thời gian xung. - T nghỉ: thời gian nghỉ - T: chu kỳ - Jc: mật độ dòng xung - Jm: mật độ dòng trung bình Các thông số này ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái tinh thể của lớp mạ. Trên hình 2 biểu diễn dạng lý thuyết của sự thay đổi thế theo thời gian tại điện cực làm việc. Đường cong này thể hiện những hiện tượng điện hoá diễn ra tại catot. Giang Cao S¬n K46§C 8 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp - Tại thời điểm t=0, thế tăng theo chiều thẳng đứng, thể hiện điện trở omic do trở khánh dung dịch. - Một phần dòng điện một chiều JDC dùng để nạp cho điện dung lớp kép và tiến tới hệ cân bằng. - Một phần khác là dòng Faraday JF liên quan đến các phản ứng, đó là quá trình chuyển điện tích. Lúc đó JC = JDC+JF . - Thời gian xung để có thể tạo lớp mạ phải lớn hơn thời gian nạp lớn kép. Vùng dòng Faraday là vùng lý tưởng để mạ. Ở vùng cuối của xung xuất hiện sụt thế omic và tiếp theo là phóng điện của lớp kép. 1.1.2. Sơ đồ khối tổng quát Trên cơ sở nhiệm vụ của đề tài ta thiết kế sơ đồ khối tổng quát như sau: Đk điện áp V+ Đk điện áp V- (1) Máy phát xung vuông Đk tần số Đk độ rộng (2) Tạo thời gian nghỉ (3) Đệm công suất (5) Nguồn ổn áp V+ V- (4) Công suất Điều khiển thời gian nghỉ Tải (Bể mạ) Hình 3. Sơ đồ khối tổng quát 1.1.2.1. Phân tích sơ đồ khối (hình 3) - Khối 1: Là máy phát xung vuông với 2 đường vào để điều khiển tần số và độ rộng xung nhằm tạo ra lối ra xung vuông có tần số và độ rộng điều khiển được. Giang Cao S¬n K46§C 9 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp - Khối 2: Là mạch tạo thời gian nghỉ nhằm tạo ra được thời gian nghỉ theo yêu cầu của “nguồn xung”. Thời gian nghỉ có thể được lựa chọn T*1,T*2,T*4,T*8…T*512 ( T là chu kỳ của xung lối ra máy phát xung) bằng chuyển mạch điều khiển hệ số chia tần. - Khối 3: Là tầng đệm công suất lối ra với mục đích đệm công suất lối ra cho máy phát xung vuông và nhận tín hiệu điều khiển khoảng thời gian nghỉ từ tầng tạo thời gian nghỉ đưa lên. - Khối 4: Là tầng công suất lối ra để đạt công suất xung theo yêu cầu của nhiệm vụ chế tạo - Khối 5: Là nguồn ổn áp tạo ra 2 điện áp V+ và V- có thể điều chỉnh được biên độ, để cung cấp nguồn lực cho khối công suất. Lối ra của tầng công suất chính là lối ra của “Nguồn xung lưỡng cực”, có thể là tải hay cụ thể hơn đó là điện cực anot và catot của bể mạ. 1.2. KHẢO SÁT CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Do yêu cầu và nhiệm vụ của đề tài và theo sơ đồ khối tổng quát mà ta đã trình bày ở các phần trước. Nên mục này ta tìm hiểu các linh kiện điện tử, đặc biệt là các linh kiện công suất có thể đóng mở được dòng điện một chiều. 1.2.1. TIRISTO khoá được bằng cực điều khiển, GTO (Gate Turn Of TIRISTO) TIRISTO là linh kiện chỉnh lưu có điều khiển, được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu hoặc dùng cắt pha dòng điện xoay chiều từ công xuất nhỏ vài W đến công suất lớn vài trăm MW. Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu mà các phần tử đóng,mở bán dẫn luôn đặt dưới điện áp một chiều thì TIRISTO không được sử dụng rộng rãi vì nó không thể khoá lại được sau khi đã có xung kích mở. Để khoá được TIRISTO thì thường dùng đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức phức tạp, gây tổn hao về công suất, tốn kém và giảm hiệu suất. Vào đầu những năm 80 thì GTO ra đời. Như tên gọi của nó, nghĩa là khoá lại được bằng cực điều khiển. GTO có khả năng đóng cắt dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao, là van điều khiển hoàn toàn. GTO đã phát huy ưu điểm cơ bản của phần tử bán dẫn đó là khả năng đóng cắt dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi tín hiệu công suất nhỏ. Giang Cao S¬n K46§C 10 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.1.1. Cấu trúc bán dẫn GTO có cấu trúc bán dẫn và ký hiệu như hình 4a,b. A G K a) cấu trúc bán dẫn b) ký hiệu Hình 4 Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anot được bổ xung các lớp n+ . Dấu cộng chỉ ra mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử, được làm giầu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này. Cực điều khiển nối vào lớp p thứ 3 được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp n+ của catot. 1.2.1.2. Đặc tính đóng cắt Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anot có điện áp dương so với catot thì toàn bộ điện áp rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa. Tuy nhiên nếu catot có điện áp dương hơn so với anot thì tiếp giáp p+- n ở sát anot sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không chịu được điện áp ngược. Mô hình điều khiển đóng, mở được biểu diễn trên hình 5b. GTO được điều khiển mở bằng cách cấp dòng vào cực điều khiển, dòng điều khiển mở có dạng như hình vẽ 5a. Dòng điều khiển phải duy trì trong thời gian đủ lớn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì. Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Xung dòng khoá phải có biên độ rất lớn khoảng 20-25% biên độ dòng anot-catot. Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn xung cao không lớn hơn 1 µ s Giang Cao S¬n K46§C 11 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp . Hình 5. Dạng Xung dòng và nguyên lý điều khiển 1.2.2. Tranzito lưỡng cực công suất 1.2.2.1. Cấu trúc bán dẫn Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p- n-p hoặc n- p-n, tạo nên hai lớp tiếp giáp p-n. Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction Tranzito (BJT) vì dòng điện chạy trong chúng bao gồm cả hai loại điện tích âm (điện tử), dương (lỗ trống). Cấu trúc tiêu biểu của một Tranzito công suất được biểu diễn như hình vẽ 6. Trong đó lớp bán dẫn p-n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp BC và do đó của C-E. Hình 6. Cấu trúc bán dẫn Trong chế độ tuyến tính, hay còn gọi là phần tử khuyếch đại dòng điện với dòng colector IC bằng β lần dòng bazơ, trong đó β là hệ số khuyếch đại dòng điện Ic= β IB Tuy nhiên trong điện tử công suất thì β thường là nhỏ (khoảng hàng chục lần). Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện: Giang Cao S¬n K46§C 12 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp IB> IC β hay IB=Kbh. IC β Trong đó Kbh bằng 1,2-1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó Tranzito sẽ ở trong chế độ bão hoà với điện áp giữa colector và emitor rất nhỏ cỡ 1 ÷ 1.5V, gọi là dòng bão hoà (UCE.bh). Khi khoá dòng điều khiển IB=0, lúc đó dòng colector gần bằng 0. Tổn hao công suất trên Tranzito bằng tích của dòng điện colector với điện áp rơi trên colector-emitor, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá. Trong cấu trúc bán dẫn của Tranzito, ở chế độ khoá nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực ngược. BJT ở trong chế độ tuyến tính, nếu tiếp giáp B-E phân cực thuận và B-C phân cực ngược. Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C phân cực thuận. Cơ chế tạo ra dòng điện qua Tranzito là sự thâm nhập của các điện tích khác dấu vào vùng bazơ p, các điện tử, vì vậy BJT còn được gọi là cấu trúc với các hạt mang điện phi cơ bản. 1.2.2.2. Đặc tính đóng cắt của Tranzito Chế độ đóng cắt của Tranzito phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC. Quá trình đóng ngắt của một Tranzito qua sơ đồ khoá trên hình 7a. Trong đó Tranzito đóng ngắt một tải thuần trở Rt dưới dạng điện áp + Un điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ –UB2 đến +UB1 và ngược lại. Dạng sóng, dòng điện và điện áp cho trên hình 7b. *) Quá trình mở Theo đồ thị ở hình 7b, trong khoảng thời gian (1) BJT ở trong chế độ khoá. Trong khoảng thời gian (2), tụ đầu vào có giá trị tương đương Cin =CBE + CBC được nạp từ điện áp –UB2 đến +UB1 . Tụ Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng U* của tiếp giáp UBE cỡ 0,6-0,7V. Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị 0 ở đầu giai đoạn 3. Khoảng thời gian 2 là trễ khi mở, td(on) của BJT. Trong khoảng (4) điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà cuối cùng. Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hoà. *) Quá trình khoá BJT Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 đến -UB2 ở đầu giai đoạn (6) điện tích tích luỹ trong các lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức được. Dòng IB tức thời sẽ có giá trị: Giang Cao S¬n K46§C 13 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp IB2 = U B2 − U * RB Khoảng (6) gọi là khoảng trễ khi khoá, td(off). Trong khoảng (7) dòng colector IC bắt đầu giảm về bằng 0, điện áp UCE sẽ tăng tới giá trị +Un. Trong khoảng thời gian này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, dòng IC tỷ lệ với dòng bazơ. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngượi, bằng Un. Đến cuối khoảng (7) thì Tranzito mới khoá hoàn toàn. Trong khoảng (8) tụ CBE tiếp tục nạp tới điện áp ngược, -UB2. Tranzito ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9). a) Sơ đồ b) dạng sóng dòng điện, điện áp Hình 7 *) Dạng tối ưu của dòng điều khiển khoá BJT Tranzitor có thể khóa lại bằng cách cho điện áp giữa B-E bằng 0. Tuy nhiên có thể thấy rằng khi đó thời gian khoá sẽ bị kéo dài đáng kể. Khi dòng IB2 =0, toàn bộ điện tích tích luỹ trong cấu trúc bán dẫn của Tranzito sẽ chỉ bị suy giảm nhờ qua trình tự trung hoà sau một thời gian nhất định. Có thể rút ngắn thời gian mở, khoá bằng cách cưỡng bức quá trình di chuyển điện tích nhờ dạng dòng điều khiển như hình 8. Giang Cao S¬n K46§C 14 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp iB(t) IB2 Kbh.IC t -IB2 Hình 8. Dạng xung dòng điều khiển Ở thời điểm mở, dòng IB1 có giá trị lớn hơn nhiều mức cần thiết để bão hoà BJT trong chế độ dẫn, IB(0n)= KBH.Ic. Như vậy thời gian trễ khi mở td(on) va thời gian mở tr(on) (khoảng 3 trên đồ thị hinh 7b) được rút ngắn. Dòng khoá IB2 cũng cần có biên độ lớn để rút ngắn thời gian trễ khi khoá td(off) và thời gian khoá td(off) (khoảng 7 trên đồ thị hình 7b). Tuy nhiên dòng IB cũng làm nóng tiếp giáp trong BJT, cho nên giá trị biên độ cũng phải được hạn chế phù hợp theo các giá trị giới hạn cho trong các đặc tính kỹ thuận của nhà sản xuất. 1.2.3. Tranzito MOSFET 1.2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Khác với cấu trúc của Tranzito BJT, MOSFET có cấu trúc cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ Hình 9 thể hiện cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET kênh dẫn kiểu n. Hình 9. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu Giang Cao S¬n K46§C 15 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Trong đó G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi rất mỏng nhưng có độ cách điện rất lớn đioxit – silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực gốc S và cực máng D. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện là điện tử, do đó cực tính điện áp cực máng D sẽ là dương so với cực gốc S. Cấu trúc của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n. Hình 10 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Kênh dẫn sẽ được hình thành khi điện áp cực điều khiển là dương UGS>0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử và một kênh dẫn thực sự đã hình thành (hình 10b), dòng điện bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS. 1.2.3.2. Đặc tính tĩnh của một khoá MOSFET Đặc tính tĩnh được thể hiện trên hình vẽ 11. Khi điện áp điều khiển UGS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó khoảng cỡ 3V MOSFET ở trạng thái khoá. Khi UGS cỡ 5 ÷ 7V MOSFET sẽ ở chế độ dẫn. Thông thường người ta điều khiển MOSFET bằng điện áp điều khiển khoảng 15V để làm giảm điện áp rơi trên D và S. Khi đó UDS sẽ gần như tỷ lệ với dòng Id. Đặc tính tĩnh của MOSFET có thể được tuyến tính hoá chỉ bao gồm 2 đoạn thể hiện hai chế độ khoá và dẫn dòng. Theo đặc tính này dòng qua MOSFET chỉ xuất hiện khi điện áp điều khiển vượt qua một giá trị ngưỡng UGS(th). Khi đó độ nghiêng của đường đặc tính tĩnh khi dẫn dòng đặc trưng bởi độ dẫn: Gm = ∆I D ∆U GS UGS(th), Gm là những thông số của MOSFET. Người ta có thể dùng giá trị nghịch đảo của Gm là điện trở thuận RDS(on) để đặc trưng cho quá trình dẫn của MOSFET. Hinh 11. Đặc tính tĩnh của MOSTFET Giang Cao S¬n K46§C 16 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp a) Các thành phần tụ ký sinh giữa các lớp b) Mạch điện tương đương Hình 12 1.2.3.3. Đặc tính đóng cắt của MOSFET MOSFET có thể đóng cắt với tần số rất cao. Để có thể đạt được thời gian đóng cắt nhanh thì vấn đề điều khiển là rất quan trọng. Thành phần ảnh hưởng đến thời gian đóng cắt của MOSFET là tụ điện ký sinh giữa các cực. Hình 12a thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh tạo ra giữa các lớp tiếp giáp trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc CGS phải được nạp đến điện áp UGS(th) trước khi dòng cực máng có thể xuất hiện. Tụ giữa cực điều khiển và cực máng CGD có ảnh hưởng lớn đến giới hạn tốc độ đóng cắt của MOSFET. Hình 12b là sơ đồ tương đương của một MOSFET và các tụ ký sinh tương ứng. Các tụ này thực ra có giá trị thay đổi tuỳ theo mức điện áp, ví dụ CGD thay đổi theo điện áp UDS giữa giá trị thấp CGD,Lvà giá trị cao CGD,H như được biểu diễn trên hình 13 Hinh 13. Sự phụ thuộc của tụ điện giữa cực G-D và UDS Giang Cao S¬n K46§C 17 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp *) Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của MOSFET Thời gian trễ khi mở, khoá phụ thuộc giá trị các tụ ký sinh CGS, CGD, CDS tuy nhiên các thông số kỹ thuật của MOSFET thường được cho dưới dạng các trị số tụ CISS, CRSS,COSS dưới những điều kiện nhất định như điện áp UDS, UGS. Có thể tính ra các tụ ký sinh như sau: CGD =CRSS CGS=CISS-CRSS CDS=COSS-CRSS Việc tính các giá trị trung bình cho các tụ CGD và CDS với điện áp làm việc tương ứng theo công thức gần đúng như sau: CGD =2(CRSS.làm việc).(UUS.làm việc/UDS.off)1/2 COSS =2(COSS.làm việc).(UDS.làm việc/UDS.off)1/2 *) Xác định công suất cho mạch điều khiển MOSFET Các tài liệu kỹ thuật thường cho thông số điện tích nạp cho cực điều khiển QG(c) dưới điện áp khi khoá giữa cực máng và cực gốc, UDS(off) cụ thể. Khi đó công suất mạch điều khiển tính bằng: Pđiều khiển = Ucc.Qg.fsw ( fsw là tần số đóng cắt của MOSFET) Tổn hao công suất do quá trình đóng cắt trên MOSFET được tính bằng: 1 2 PSW = UDS.ID.fsw.(ton+toff) Trong đó: ID : dòng cực máng UDS : điện áp giữa cực máng và cực gốc Ton: thời gian mở của MOSFET Toff: thời gián khoá của MOSFET 1.2.4. Tranzito có cực điều khiển cách ly, IGBT( Insulated Gate Bipolar Tranzito) 1.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Giang Cao S¬n K46§C 18 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp b) cấu trúc bán dẫn b) ký hiệu c) Sơ đồ tương đương Hình 14 IGBT có cấu trúc bán dẫn và ký hiệu như hinh 14a,b. IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của Tranzito thường. Về mặt điều khiển IGBT gần như giống hoàn toàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển rất nhỏ. Về mặt cấu trúc bán dẫn: IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với colector tạo nên cấu trúc p-n-p giữa emitor (cực gốc) và colector (cực máng), không phải là n-n như MOSFET. Có thể coi IGBT tương ứng với một Tranzito p-n-p vơi dòng bazơ đuợc điều khiển bởi một MOSFET. Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, các điện tử di chuyển về phía colector vượt qua tiếp giáp n-p tạo nên dòng colector. 1.2.4.2. Đặc tính đóng cắt của IGBT Do cấu trúc p-n--p mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp hơn so với ở MOSFET. Tuy nhiên cũng do cấu trúc này mà thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET, đặc biệt khi khoá lại. Trên hình 14c thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT so với MOSFET và một Tranzito p-n-p. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm 2 thành phần: i1 là dòng qua MOSFET, i2 là dòng qua Tranzito. Phần MOSFET trong IGBT có thể khoá lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1 sẽ bằng 0. Tuy nhiên dòng i2 sẽ không thể suy giảm nhanh được do lượng điện tích tích luỹ trong lớp n- (tương đương với bazơ của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hoà điện tích. Điều này dẫn đến xuất hiện vùng dòng điện kéo dài khi khoá một IGBT. Giang Cao S¬n K46§C 19 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.4.3. Yêu cầu với tín hiệu điều khiển IGBT +Uge C IGBT G Rg E -Uge Hình 15. Yêu cầu đối với mạch điều khiển IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, điện áp giữa cực điều khiển và emitor sẽ xác định chế độ khoá hay mở của IGBT. Mạch điều khiển IGBT có yêu cầu tối thiểu như biểu diễn ở hình 15. Tín hiệu mở có biên độ UGE, tín hiệu khoá có biên độ -UGE cung cấp cho mạch G-E qua điện trở Rg. Mạch G-E được bảo vệ bởi điôt ổn áp ở mức ± 18V . Do có tụ ký sinh lớn giữa G và E nên kỹ thuật điều khiển như MOSFET có thể áp dụng. Tuy nhiên điện khoá phải lớn hơn. Nói chung tín hiệu điều khiển thường được chọn là ± 15V là phù hợp. Mức điện áp âm khi khoá góp phần làm tổn thất công suất trên mạch điều khiển. Trên hình 16a ta thấy rõ điện trở RG nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm ảnh hưởng dU CE , giảm tổn thất năng lượng trong quá trình điều khiển, dt nhưng làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện cảm ký sinh trong mạch điều khiển (hình 16b) a) Ảnh hưởng của điện áp âm khi khoá b) Ảnh hưởng của điện trở đầu vào RG Hình 16 Giang Cao S¬n K46§C 20
- Xem thêm -