Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo trình điện tử công suất ...

Tài liệu Giáo trình điện tử công suất

.PDF
304
10
58

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI Giáo trình ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trần Văn Thịnh HÀ NỘI 03/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI Giáo trình ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trần Văn Thịnh HÀ NỘI 03/2021 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại 4.0, điện tử công suất, là một lĩnh vực khoa học quan trọng không thể thiếu trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ và kỹ thuật Điện, Điều khiển và tự động hóa và Điện tử - Viễn thông. Môn học điện tử công suất (ĐTCS) là môn học lý thuyết cơ sở cho các chuyên ngành Điện, Điều khiển và tự động hóa … Môn học cung cấp cho sinh viên các phương pháp phân tích, tổng hợp mạch và ứng dụng để giải các bài toán cụ thể. Trong chương trình đào tạo ngành “Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa” của trường Đại học Mở Hà Nội, môn học ĐTCS là môn học tiếp theo của môn học kỹ thuật điện tử, nó sẽ là cơ sở cho nhiều môn học cơ sở và chuyên ngành tiếp theo. Nội dung giáo trình gồm 6 chương: Chương 1. Linh kiện bán dẫn công suất; Chương 2. Các bộ biến đổi AC-DC; Chương 3. Các bộ biến đổi DC-DC; Chương 4. Các bộ biến đổi AC-AC; Chương 5. Nghịch lưu độc lập – biến tần; Chương 6. Bảo vệ thiết bị ĐTCS. Với kinh nghiệm nhiều năm giảng dạy và thực hành trong lĩnh vực ĐTCS, khi biên soạn giáo trình tác giả đã cập nhật nhiều kiến thức mới cả lý thuyết và thực tế phù hợp với trình độ sinh viên, tác giả đã cố gắng không đưa vào những kiến thức quá cao làm cho người đọc thấy ngại môn học mà đưa nhiều kiến thức thực tế. Tinh thần chung của tác giả khi viết giáo trình này là cung cấp nhiều tính ứng dụng. Tinh thần này được thể hiện là có nhiều ví dụ minh họa thực tế trong nội dung bài học, và bài tập ứng dụng. Nội dung của phần thực hành này gồm 5 thể loại: ví dụ, câu hỏi ôn tập, câu hỏi trắc nghiệm, bài tập có lời giải và bài tập cho đáp số. Tài liệu dùng làm giáo trình chính cho môn học "Điện tử công suất" của trường Đại học Mở Hà Nội. Có thể dùng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư chuyên ngành Điện, Điều khiển và tự động hóa … Trong quá trình biên soạn, tác giả đã nhận được sự động viên và tạo điều kiện rất nhiều của lãnh đạo khoa Công nghệ Điện tử và Thông tin, trường đại học Mở Hà Nội, các bạn đồng nghiệp của trường Đại học Mở và Đại học Bách khoa Hà Nội (nơi tác giả đã làm việc nhiều năm), tác giả rất trân trọng những động viên và tạo điều kiện này. Tác giả cũng chân thành cám ơn TS. Lê Thị Thúy Nga và TS Nguyễn Thế Công đã dành thời gian đọc phản biện cho Giáo trình này và cho những góp ý quý báu. Mặc dụ đã có nhiều cố gắng, nhưng không tránh khỏi sai sót. Tác giả rất mong nhận được những đóng góp của bạn đọc tài liệu này. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Khoa Công nghệ Điện tử và Thông tin, trường Đại học Mở Hà Nội, địa chỉ: B01 Phố Nguyễn Hiền, Bách Khoa, Hai Bà Trưng, Hà Nội 100000. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả 1 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................1 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................8 Chương 1 LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT ............................................10 1.1. Điốt công suất ..............................................................................................10 1.1.1. Cơ bản về điốt ..................................................................................10 1.1.2. Cấu tạo điốt công suất......................................................................12 1.1.3. Đặc tính và thông số điốt công suất .................................................13 1.1.4. Một số điốt đặc biệt .........................................................................19 1.2. Thyristor .......................................................................................................22 1.2.1. Nguyên lý cấu tạo thyristor công suất. ............................................23 1.2.2. Hoạt động của thyristor ...................................................................23 1.2.3. Đặc tính và thông số của thyristor ..................................................25 1.3. Triac ............................................................................................................33 1.3.1. Cấu tạo triac .....................................................................................33 1.3.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................34 1.3.3. Đặc tính và thông số ........................................................................34 1.3.4. Chuyển mạch Triac và mạch điều khiển cổng G .............................36 1.4. Transistor lưỡng cực (BJT) ..........................................................................36 1.4.1. Cấu tạo và hoạt động của tranzito lưỡng cực (BJT) ........................37 1.4.2. Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của BJT công suất .........................38 1.4.3. Đặc tính I-U của transistor công suất ..............................................41 1.4.4. Cấu trúc darlington của transistor công suất....................................46 1.4.5. Đặc tính chuyển mạch của BJT công suất .......................................46 1.5. Mosfet công suất ..........................................................................................50 1.5.1. Cấu tạo và hoạt động của mosfet .....................................................50 1.5.2. Đặc tính của mosfet ........................................................................53 1.5.3. Các thông số của mosfet công suất ..................................................59 1.5.4. Điều khiển gate MOSFET ...............................................................62 1.6. Transistor lưỡng cực cổng cách ly ...............................................................64 1.6.1. Cấu tạo và hoạt động của IGBT ......................................................65 1.6.2. Thông số của IGBT..........................................................................67 1.6.3. Đặc tính của IGBT ...........................................................................68 3 1.6.4. Hoạt động an toàn của IGBT ...........................................................70 1.6.5. Lưu ý khi sử dụng. ...........................................................................72 Câu hỏi và bài tập chương 1................................................................................76 Chương 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC ............................................................83 2.1. Phân loại chỉnh lưu.......................................................................................84 2.2. Những vấn đề cơ bản của chỉnh lưu .............................................................85 2.2.1. Sơ đồ tổng quát chỉnh lưu cấp điện từ nguồn lưới công nghiệp ......85 2.2.2. Thông số cơ bản của chỉnh lưu ........................................................86 2.3. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ............................................................................87 2.3.1. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ không điều khiển ..................................87 2.3.2. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ có điều khiển .........................................90 2.4 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính ...................................................92 2.4.1. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính không điều khiển. .......92 2.4.2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính có điều khiển ..........94 2.5. Chỉnh lưu cầu một pha .................................................................................97 2.5.1. Chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. .......................................97 2.5.2. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng ...................................98 2.5.3. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng.........................99 2.6. Chỉnh lưu tia 3 pha .................................................................................... 100 2.6.1. Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển ..........................................100 2.6.2. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển ................................................102 2.7. Chỉnh lưu cầu 3 pha .................................................................................. 104 2.7.1. Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ........................................104 2.7.2. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng ....................................106 2.7.3. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng .........................111 2.8. Chỉnh lưu có điốt xả năng lượng ............................................................... 112 2.9. Chuyển mạch của các sơ đồ chỉnh lưu ...................................................... 114 2.9.1. Quá trình chuyển mạch ..................................................................114 2.9.2. Điện áp tải khi trùng dẫn ...............................................................116 2.9.3. Chuyển mạch ở một số mạch chỉnh lưu cơ bản .............................116 2.10. Chế độ nghịch lưu phụ thuộc trả năng lượng về lưới của chỉnh lưu....... 118 2.10.1. Bản chất của chế độ nghịch lưu phụ thuộc ..................................118 2.10.2. Chế độ nghịch lưu phụ thuộc của mạch một pha.........................120 4 2.10.3. Chế độ nghịch lưu phụ thuộc ba pha ...........................................121 .......................................................................................................................... 122 2.11. Đặc tính ngoài của chỉnh lưu .................................................................. 122 2.11.1. Đặc tính ra của chỉnh lưu theo góc điều khiển ............................122 2.11.2. Đặc tính tải của chình lưu ............................................................122 2.12. Khái quát về điều khiển chỉnh lưu .......................................................... 123 2.12.1. Mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng. ............................123 2.12.2. Thiết kế mạch điều khiển bằng mạch số......................................124 Câu hỏi và bài tập chương 2............................................................................. 126 Chương 3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC ..........................................................132 3.1. Khái quát về điều khiển điện áp một chiều ............................................... 133 3.1.1. Băm xung điện áp một chiều .........................................................133 3.1.2. Phân loại sơ đồ băm áp một chiều thường gặp ..............................137 3.2. Băm xung không biến áp .......................................................................... 139 3.2.1. Bộ băm giảm áp (buck converter) .................................................139 3.2.2. Bộ băm biến đổi tăng áp (boost converter) ....................................143 3.2.3. Bộ băm tăng và giảm áp (buck–boost converter ) .........................147 3.2.4. Bộ băm hỗn hợp (Cuk converter) ..................................................149 3.3. Bộ băm có biến áp ..................................................................................... 151 3.3.1. Bộ băm tích lũy năng lượng (Flyback) ..........................................151 3.3.2. Bộ biến đổi Forward .....................................................................158 3.3.3. Bộ biến đổi đẩy kéo .......................................................................161 3.3.4. Bộ biến đổi nửa cầu (Half-Bridge Regulators) ..............................162 3.3.5. Bộ biến đổi cầu (Full-Bridge Regulators) .....................................164 Câu hỏi và bài tập chương 3............................................................................. 165 Chương 4 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI AC-AC ..........................................................171 4.1. Khái quát về các bộ biến đổi AC-AC ....................................................... 172 4.1.1. Các mạch biến đổi AC-AC truyền thống.......................................172 4.1.2. Các mạch cơ bản của ĐAXC một pha bằng bán dẫn ....................172 4.2. Điều khiển xoay chiều bằng phương pháp đóng/cắt ................................. 174 4.3 Điều khiển pha không đối xứng ................................................................. 177 4.3.1 Nguyên lý hoạt động của điều khiển pha không đối xứng .............177 4.3.2. Các quan hệ cơ bản của sơ đồ ........................................................178 5 4.4. Điều khiển pha đối xứng ........................................................................... 180 4.4.1. Điều khiển pha đối xứng tải thuần trở ...........................................180 4.4.2. Điều khiển pha tải RL ....................................................................184 4.5. Một số sơ đồ mạch ĐAXC ba pha ............................................................ 190 4.6. Điều áp xoay chiều ba pha có tải nối Y không dây trung tính. ................. 193 4.6.1. Hoạt động của ĐAXC 3 pha tải nối Y không dây trung tính ........193 4.6.2. Điều áp xoay chiều ba pha tải thuần trở nối Y không trung tính...195 4.6.3. Điều áp xoay chiều ba pha tải RL nối Y không trung tính ............199 4.7. Điều áp xoay chiều ba pha có tải nối . .................................................... 200 4.7.1. Hoạt động tương đương của tải nối tam giác và nối sao. ..............200 4.7.2. Hoạt động của ĐAXC ba pha tải nối ..........................................200 4.8. Điều khiển bộ điều áp xoay chiều. ............................................................ 205 Câu hỏi và bài tập chương 4............................................................................. 205 Chương 5 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN....................................211 5.1. Phân loại biến tần ...................................................................................... 211 5.1.1. Phân loại theo cấu trúc vật lí..........................................................211 5.1.2. Phân loại theo linh kiện bán dẫn sử dụng ......................................212 5.1.3. Nghịch lưu nguồn áp và nguồn dòng:............................................213 5.2. Nghịch lưu nguồn áp ................................................................................. 214 5.2.1. Nghịch lưu nguồn áp một pha: ......................................................214 5.2.2. Nghịch lưu nguồn áp ba pha ..........................................................220 5.3. Nghịch lưu nguồn dòng............................................................................. 223 5.3.1. Nghịch lưu nguồn dòng một pha: ..................................................223 5.3.2. Nghịch lưu nguồn dòng ba pha ......................................................225 5.4. Nâng cao chất lượng điện áp ra của nghịch lưu độc lập ........................... 226 5.4.1. Sóng hài của điện áp nghịch lưu ....................................................226 5.4.2. Điều khiển điện áp ra: ....................................................................229 5.4.3. Hạn chế sóng hài nâng cao chất lượng điện áp ra của nghịch lưu .231 5.4.4. Các phương pháp PWM khác ........................................................235 5.5. Nghịch lưu cộng hưởng............................................................................. 239 5.5.1. Khái quát về mạch cộng hưởng .....................................................239 5.5.2. Ưu điểm mạch cộng hưởng............................................................240 5.5.3. Các dạng mạch cộng hưởng. ..........................................................240 6 5.6. Mạch điều khiển nghịch lưu...................................................................... 246 5.7. Biến tần: .................................................................................................... 251 5.7.1. Biến tần trực tiếp: ..........................................................................251 5.7.2. Biến tần có trung gian một chiều: ..................................................252 Câu hỏi và bài tập chương 5............................................................................. 254 Chương 6 BẢO VỆ THIẾT BỊ ĐTCS .............................................................261 6.1. Hư hỏng do điện áp ................................................................................... 261 6.1.1. Nguyên nhân gây quá điện áp ........................................................262 6.1.2. Bảo vệ thiết bị ĐTCS khi quá điện áp ...........................................264 6.2. Hư hỏng do dòng điện ............................................................................... 270 6.2.1. Nguyên nhân gây nên hư hỏng do dòng điện ................................270 6.2.2. Bảo vệ TBĐTCS do nguyên nhân dòng điện ................................271 6.3. Hư hỏng do nhiệt độ.................................................................................. 276 6.3.1. Tổn hao Trên van bán dẫn .............................................................276 6.3.2. Bảo vệ quá nhiệt ............................................................................277 6.4. Hư hỏng do nhiễu ...................................................................................... 281 6.4.1. Cơ sở của sinh nhiễu trên các thiết bị điện tử ................................281 6.4.2. Một số khái niệm cơ bản của nhiễu ...............................................283 6.4.3. Tiêu chuẩn nhiễu cần đáp ứng .......................................................286 6.4.4. Các sơ đồ mạch lọc nhiễu điển hình ..............................................289 6.5. Sơ đồ bảo vệ thực tế .................................................................................. 290 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................. 291 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................296 PHỤ LỤC: Trả lời các câu hỏi và bài tập ........................................................297 7 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT Chữ viết tắt Nghĩa của từ BT Biến tần CL Chỉnh lưu ĐAMC Điều áp một chiều ĐAXC Điều áp xoay chiều ĐTCS Điện tử công suất NL Nghịch lưu TBĐT Thiết bị điện tử TBĐTCS Thiết bị điện tử công suất TIẾNG ANH Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa sử dụng trong tài liệu AC Alternating current Điện xoay chiều ASCR Asymmetrical Thyristor Thyristor không đối xứng BJT Bipolar junction transistor Transistor lưỡng cực CCM Continuous Conduction Mode Chế độ dẫn liên tục CM Common-mode Chế độ chung DC Direct current Điện một chiều DCM Discontinuous conduction mode Chế độ dẫn gián đoạn DM Differential mode Chế độ vi phân DMOS Double-diffused MOSFET MOSFET khuếch tán kép EMC Electromagnetic Compatibility Tương thích điện từ EMI Electromagnetic interference Nhiễu điện từ EMS Electromagnetic Susceptibility Nhạy cảm điện từ - Miễn nhiễm ESD Electrostatic discharge Xả tĩnh điện ETO Emitter Turn Off Thyristor Thyristor khóa bằng emitter FBSOA Forward Bias Safe Operating Area Vùng hoạt động an toàn thuận 8 GTO Gate turn-off thyristor Thyristor khóa bằng điều khiển HVDC High-voltage direct current Điện một chiều cao áp IGBT Insulated gate bipolar transistor Transitor cực cửa cách ly LASCR Light activated silicon controlled Thyyrristor kích hoạt ánh sáng rectifier MCT Mos- controlled thyristor MOSFET Metal oxide semiconductor field Transitor hiệu ứng trường effect transistor), MTO Mos Turn Off Thyristor Thyristor khóa bằng mos NPT non-punch through type Dạng không xuyên thấu PT punch through type Dạng xuyên thấu PWM Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung RBSOA Reverse Bias Safe Operating Area Vùng hoạt động an toàn chiều ngược RF Radio frequency Tần số radio RMS Root Mean Square Hiệu dụng SCR Silicon Controlled Rectifier Thyristor SCS Silicon Controlled Switch Công tắc điều khiển bằng silicon SIT Static induction transistor Transistor cảm ứng tĩnh SMPS Switched-mode power supply Nguồn cấp chuyển mạch SOA Safe Operating Area Vùng hoạt động an toàn SVM Support vector machine Điều chế vec tơ không gian UPS Uninterruptible power supply Nguồn cấp điện liên tục VDMOS Vertical MOSFET Mossfet dọc Thyristor điều khiển Mos 9 Chương 1 LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT Chương này được xây dựng giúp cho người đọc nắm được các kiến thức cơ bản về các linh kiện điện tử công suất. Trong chương này, sẽ khảo sát đặc tính của các linh kiện ĐTCS thông dụng, bao gồm điốt, transistor, thyristor và các linh kiện cùng họ. Nói chung những linh kiện này đã được nghiên cứu trong giáo trình kỹ thuật điện tử, chương này chỉ bổ sung những nội dung liên quan đến đặc điểm cấu tạo đặc tính của các linh kiện bán dẫn công suất Mục tiêu của chương:  Cung cấp các kiến thức cơ bản về các linh kiện ĐTCS.  Giúp người đọc hiểu được nguyên lý cấu tạo các linh kiện ĐTCS.  Người đọc có được các kiến thức cần thiết về đặc tính I(U) của các linh kiện  Giúp cho người đọc có được các kiến thức cơ bản để lựa chọn và sử dụng các linh kiện này ở các chương sau. Trong lĩnh vực ĐTCS, các linh kiện bán dẫn công suất làm việc với 2 chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Các linh kiện bán dẫn công suất theo chức năng đóng ngắt dòng điện và theo khả năng điều khiển các chức năng này có thể chia ra làm 03 nhóm chính: - Nhóm 1: Gồm các linh kiện không điều khiển như điốt công suất, diac; - Nhóm 2: Gồm các linh kiện thuộc họ thyristor: Thyristor (SCR), triac, thyristor điều khiển bằng cực khóa (Gate turn-off thyristor - GTO), Mos- controlled thyristor (MCT), integrated gated-commutated thyristor (IGCTs), MTO (Mos Turn Off Thyristor, ETO (Emitter Turn Off Thyristor); - Nhóm 3: Gồm các linh kiện thuộc họ transistor như: Transistor lưỡng cực (BJT), transitor hiệu ứng trường (MOSFET - Metal oxide semiconductor field effect transistor), transitor lưỡng cực cửa cách ly (IGBT - Insulated gate bipolar transistor), transitor cảm ứng tĩnh (SIT - Static induction transistor). Trong khuôn khổ chương 1 của giáo trình này chỉ tiến hành tìm hiểu những linh kiện thông dụng nhất là: điốt công suất, thyristor, triac, BJT, mosfet và IGBT. Những linh kiện còn lại có thể tìm hiểu trong các tài liệu ví dụ [2, 3, 6, 7, 8, ….] 1.1. Điốt công suất 1.1.1. Cơ bản về điốt Một điốt tiếp giáp P-N được hình thành bằng cách đặt vật liệu bán dẫn loại P và N tiếp xúc nguyên tử với nhau. Điều này có thể đạt được bằng cách khuếch tán tạp chất vào tinh thể silicon loại N hoặc ngược lại. Nối điện ra ngoài, cực dương (anốt) A nối tới P và cực âm (catốt K) nối tới N. 10 Trong một tiếp giáp P-N điốt mạch hở, các hạt dẫn đa số từ hai phía sẽ chuyển qua tiếp giáp sang phía đối diện nơi chúng là thiểu số. Các hạt dẫn khuếch tán này sẽ để lại phía sau một khu vực các nguyên tử bị ion hóa ở ngay gần tiếp xúc kim loại. Vùng nguyên tử ion hóa này được gọi là vùng điện tích không gian. Tại điểm này, tiếp giáp P-N được cho là trong điều kiện cân bằng nhiệt. Sự thay đổi mật độ điện tích không gian, điện trường và điện thế dọc theo thiết bị được thể hiện trong hình 1.1a Khi một điện áp bên ngoài được đặt vào với âm vào P và dương phía N (hình 1.1b), cách nối như thế này là phân cực điện áp ngược (gọi tắt là phân cực ngược) (UAK < 0). Phân cực điện áp ngược này làm tăng thêm điện thế hai bên tiếp giáp. Cường độ điện trường tại tiếp giáp và chiều rộng của vùng thay đổi không gian (còn gọi là vùng nghèo hay vùng cạn kiệt vì không có điện tích tự do) cũng tăng. Khi điện áp ngược được đặt vào vượt quá giá trị ngưỡng, dòng điện ngược tăng nhanh. Các điốt được cho là đã rơi vào quá trình phá hủy ngược. A J J J P N K A P N A PN NP NP K PN Dqs P N NP PN Dqs Dqs E E E    Wd a. K Wd Wd c. I b. Chú thích: J: Tiếp giáp P, N PN : Mật độ lỗ trống tại lớp bán dẫn N NP: Mật độ điện tử tạp lớp bán dẫn P E: Cường độ điện trường : Điện thế Wd : Độ rộng vùng nghèo Dqs: Mật độ điện tích không gian + UN A UAK Ir A K + K d. Hình 1.1 Cấu tạo và hoạt động của điốt; a. Nguyên lý cấu tạo, b. Khi phân cực ngược, c. Khi phân cực thuận, d. Đặc tính I-U 11 Phá hủy ngược được gây ra bởi "ion hóa tác động" được giải thích như sau. Các electron được gia tốc bởi điện trường lớp suy giảm lớn, do điện áp ngược được đặt vào có thể đạt được năng lượng đủ để giải phóng một electron khác khỏi liên kết hóa trị khi nó tấn công một nguyên tử silicon. Các electron được giải phóng lần lượt có thể lặp lại quá trình. Hiệu ứng tuyết lở này có thể tạo ra một số lượng lớn các electron tự do rất nhanh, dẫn đến dòng điện ngược lớn. Công suất tiêu tán trong thiết bị làm tăng hư hỏng và có thể gây ra sự phá hủy của nó. Do đó, phải tránh hoạt động của điốt trong khu vực điện áp ngược lớn này. Khi điốt được phân cực thuận (nghĩa là, UAK > 0), hàng rào điện thế được giảm xuống và một số lượng rất lớn các điện tích thiểu số được bơm vào cả hai phía của tiếp giáp. Các hạt dẫn thiểu số được bơm vào, kết hợp lại với hạt dẫn đa số khi chúng di chuyển xa hơn vào khu vực trung tính. Mật độ hạt dẫn tự do dư ở cả hai phía P và N tuân theo các đặc tính giảm dần theo cấp số nhân. Độ dài giảm dần đặc trưng được gọi là "chiều dài khuếch tán hạt dẫn thiểu số" Độ dốc mật độ hạt dẫn ở hai bên tiếp giáp được hỗ trợ bởi dòng điện thuận IF (chảy từ P sang N) có thể được biểu thị bằng IF = IS (exp (qu/kT)) -1 (1.1) Trong đó  Is - Dòng bão hòa ngược (Amps)  u - Điện áp thuận trên thiết bị (vôn)  q - Điện tích nạp  k - Hằng số Boltzman  T - Nhiệt độ ở Kelvin Đặc tính I(U) của điốt được vẽ trên hình 1.1d 1.1.2. Cấu tạo điốt công suất Điốt công suất (hình 1.2) có công suất định mức lớn, giá trị dòng điện thuận lớn nhất lên đến hàng kA với tổn hao công suất nhỏ và chịu được điện áp hàng kV theo hướng ngược lại. Để chịu được điện áp lớn, điốt công suất bổ sung thêm một lớn N- pha tạp ít như trên hình 1.2a. Ở điốt công suất thấp không có lớp N- này. Lượng pha tạp của các lớp bán dẫn P, N-, N+ được cho ví dụ như trên hình 1.2a. Mật độ điện tích không gian trong lớp pha tạp ít cũng phải thấp để tạo ra một tầng suy giảm rộng cho cường độ điện trường tối đa nhất định. Cấu trúc như vậy, sẽ dẫn đến có điện trở lớn hơn khi điốt dẫn. Do đó, tổn hao công suất ở dòng định mức sẽ cao hơn loại điốt thường. Mặt khác, nếu điện trở thuận (và do đó tổn hao công suất) được giảm bằng cách tăng mức pha tạp, điện áp đánh thủng ngược sẽ giảm. Hình 1.2b là ảnh của một điốt công suất điển hình. 12 b. a. Hình 1.2 Điốt công suất; a. Cấu trúc hiển thị nồng độ pha tạp và kích thước điốt, b. Hình dáng bên ngoài 1.1.3. Đặc tính và thông số điốt công suất 1. Đặc tính tĩnh a. Đặc tính khi phân cực ngược Như trong trường hợp của một điốt công suất thấp, điện áp ngược đặt vào được hỗ trợ bởi lớp pha tạp ít, được hình thành tại tiếp giáp P+ , N-. Trạng thái trung tính của khu vực thay đổi không gian cho rằng số lượng nguyên tử ion hóa trong khu vực P+ phải giống như trong khu vực N. Tuy nhiên, vùng tích điện không gian gần như chỉ mở rộng sang vùng N-. Bây giờ chiều rộng của vùng nghèo có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn chiều rộng lớp pha tạp ít ở điện áp đánh thủng. Do đó, hai loại điốt tồn tại:  Dạng không xuyên thủng (non-punch through type – NPT),  Loại xuyên thủng (punch through type – PT). Trong loại NPT, ranh giới lớp pha tạp ít không chạm tới điểm cuối của lớp nghèo. Mặt khác, loại PT, lớp pha tạp ít kéo dài toàn bộ vùng nghèo và tiếp xúc với cực âm N+. Tuy nhiên, do mật độ pha tạp rất lớn của cực catốt, sự xâm nhập của vùng nghèo bên trong cực âm là không đáng kể. Cường độ điện trường bên trong vùng nghèo của cả hai loại điốt này ở điện áp đánh thủng được thể hiện trong hình 1.3c, d. Trong các loại điốt NPT, cường độ điện trường là cực đại tại tiếp giáp P+ - Nvà giảm xuống 0 ở cuối vùng pha tạp ít (hình 1.3c). Trong khi, cấu trúc loại điốt PT, cường độ trường đồng đều hơn. Trên thực tế, bằng cách chọn vùng N- pha tạp rất ít, cường độ điện trường trong vùng này có thể là chế độ gần như không đổi (hình 1.3d). Theo giả thiết về cường độ điện trường đồng nhất, có thể chỉ ra rằng với cùng một điện áp đánh thủng, thì cấu trúc PT đòi hỏi khoảng một nửa chiều rộng vùng nghèo của cấu trúc NPT. Khi đặt ngược điện áp vào điốt, chỉ có một dòng rò nhỏ (khoảng dưới 100mA) chảy theo hướng ngược lại. Dòng điện ngược này gần như không đổi trong vùng UAK 13 nhỏ hơn UN nhưng rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ tiếp giáp. Khi điện áp ngược đặt vào đạt đến điện áp đánh thủng (UN), dòng điện ngược tăng rất nhanh do quá trình ion hóa tác động và quá trình nhân lên của tuyết lở. Điện áp trên hai cực A-K của điốt không tăng thêm nữa trong khi dòng ngược bị giới hạn bởi mạch ngoài. Do đó, nên tránh làm việc trong khu vực phá hủy ngược. Một đặc tính I-U điển hình của một điốt công suất trong điều kiện phân cực ngược được thể hiện trong hình 1.4. a. b. c. d. Hình 1.3 Hai loại cấu trúc điốt công suất; a. Loại NPT, b. Loại PT Một số thông số kỹ thuật quan trọng khác của điốt công suất khi đặt điện áp ngược, thường được tìm thấy trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất là: Điện áp chịu đựng DC (URDC) là điện áp trực tiếp tối đa có thể đặt vào UAK < 0 trong khoảng thời gian không xác định. Nó dùng để chọn các điốt xả năng lượng trong mạch DC-DC và mạch biến tần nguồn điện áp DCAC. Điện áp ngược RMS (URMS) là giá trị RMS của điện áp tần số nguồn lưới công nghiệp (50/60 HZ) có thể đặt trực tiếp vào điốt. Đại lượng này Hình 1.4 Đặc tính I-U của điốt công suất dùng cho việc chọn điốt làm việc ở điện lưới công nghiệp, ví dụ bộ chỉnh lưu AC-DC. a. b. Hình 1.5 Điện áp ngược của điốt; a. xung điện áp nguồn, b. đặc tính ngược I-U 14 Điện áp ngược cực đại lặp lại (URRM) là giá trị tối đa cho phép của điện áp ngược tức thời xuất hiện có chu kỳ trên điốt. Khoảng thời gian giữa hai lần xuất hiện liên tiếp được giả thiết là bằng một nửa chu kỳ điện áp lưới (tức là 10ms đối với nguồn cung cấp 50 HZ). Điện áp ngược cực đại không lặp lại (URSM) là giá trị tối đa cho phép của điện áp ngược tức thời trên thiết bị không được xuất hiện. Điện áp ngược thoáng qua như vậy có thể được tạo ra bởi chuyển mạch trong mạch điện hoặc xung sét. Các giá trị điện áp ngược cho trong datasheet của nhà sản xuất vừa nêu được minh họa trên hình 1.5. b. Đặc tính khi phân cực thuận (điện áp UAK > 0) Trong phần trước đã cho thấy sự ra đời của vùng pha tạp ít (N-) trong cấu trúc P-N của một điốt làm tăng điện áp chịu đựng của nó. Có vẻ như vùng pha tạp ít này có trở kháng cao trong quá trình dẫn dòng điện thuận. Tuy nhiên, điện trở hiệu dụng của vùng này ở trạng thái dẫn nhỏ hơn nhiều so với điện trở ohmic được tính toán trên cơ sở kích thước hình học và mật độ hạt dẫn điện cân bằng nhiệt. Điều này là do bơm đáng kể các hạt dẫn dư từ cả vùng P+ và N+ trong vùng pha tạp ít như được giải thích tiếp theo. Khi tiếp giáp P+ - N- phân cực thuận, sẽ có hạt dẫn loại P dư vào phía N. Ở mức độ hạt dẫn bơm vào ít, tất cả các hạt dẫn dư loại P kết hợp lại với các hạt dẫn loại N trong vùng N-. Tuy nhiên, ở mức độ bơm nhiều (nghĩa là mật độ dòng điện thuận lớn), phân bố mật độ hạt dẫn loại P dư đạt đến tiếp giáp N- N+ và thu hút electron từ N+ cực K. Hình 1.6 Đặc tính thiên áp thuận của điốt; a. Phân bố mật độ điện tích tự do, b đặc tính i(u) Tổn hao điện áp thuận của điốt công suất có hai thành phần là: UAK = Uj + URD (1.2) Trong đó 15  Uj là tổn hao điện áp trên tiếp giáp P+ N- và có thể được tính từ phương trình (1.1) cho một dòng điện IF cho trước.  URD là tổn hao điện áp do ohmic, chủ yếu ở vùng nghèo. Tính toán chi tiết cho thấy: URD = JF WD (1.3) Trong đó:  JF là mật độ dòng của điốt và  WD là chiều rộng của vùng nghèo vì thế UAK = Uj + RON .IF (1.4) Sự sụt giảm ohmic làm cho đặc tính I-U ở góc phần tư thứ nhất của điốt công suất trở nên tuyến tính hơn Cả Uj và UAK đều có hệ số nhiệt độ âm như trong hình 1.6b Một số thông số kỹ  - khoảng dẫn của điốt thuật quan trọng, liên quan IFAVM/IFRMS đến hoạt động phân cực thuận DC hay IFRMS % 100 của điốt công suất, thường 2 0 cho trong bảng dữ liệu của  0  = 180 nhà sản xuất như sau: Dòng điện RMS tối đa  = 1200 % 50 (IFRMS): Do bản chất chủ yếu  = 600 là điện trở giảm khi điện áp thuận trên điốt công suất, giá trị RMS của dòng điện xác TC định tổn thất công suất dẫn. 0 500 1000 1500 Thông số kỹ thuật cho giá trị dòng điện RMS tối đa cho Hình 1.7 Đường cong giảm tải dòng điện trung bình và nhiệt độ phép của hình dạng sóng nhất định (thường là sóng hình sin tần số nửa chu kỳ) và ở nhiệt độ vỏ được chỉ định. Dòng điện trung bình tối đa (IFAVM): Điốt thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều (trung bình) ra tải. Thông số kỹ thuật này là giá trị trung bình lớn nhất của dòng điện nửa sóng sin chạy qua điốt theo chiều thuận. Giá trị dòng điện trung bình của một điốt giảm khi giảm góc dẫn tăng. Cả hai giá trị IFRMS và IFAVM đều được cho ở nhiệt độ vỏ cụ thể. Nếu nhiệt độ vỏ tăng vượt quá giới hạn này, các giá trị này phải được giảm tương ứng như trên hình 1.7. 16 Tổn hao công suất trung bình (PAVF): Hầu như tất cả tổn hao công suất trong điốt xảy ra trong trạng thái dẫn thuận. Do đó, tổn hao công suất là một thông số quan trọng trong việc thiết kế làm mát. Dòng điện xung ngắn hạn và lỗi: Trong một số ứng dụng chỉnh lưu, một điốt có thể được yêu cầu dẫn dòng điện vượt quá RMS hoặc giá trị dòng điện thuận trung bình trong một khoảng thời gian ngắn. Đây được gọi là dòng xung lặp đi lặp lại của một điốt. Một điốt cần phải hoạt động bình thường sau khi hết thời gian quá dòng này. Mặt khác, dòng sự cố phát sinh do một số bất thường trong mạch điện có thể có dòng điện đỉnh cao hơn nhưng tồn tại trong thời gian ngắn hơn (thường là nhỏ hơn một IFRM/IFAVM nửa chu kỳ của tần số nguồn). Một mạch điốt n – Số chu kỳ tần số sẽ bị loại khỏi mạch điện sau một dòng xung lưới gây lỗi. Do đó, một dòng sự cố là một dòng xung không lặp lại. Giá trị dòng xung lặp lại (IFRM): Đây là đỉnh của dòng xung có thể được phép chạy n qua điốt trong một thời gian cụ thể và trong các điều kiện cụ thể trước và sau khi xung Hình 1.8 Quan hệ giữa dòng IFRM theo số chu kỳ dòng. Dạng sóng dòng xung được giả sử là một nửa hình sin của tần số nguồn cấp với các xung dòng điện được tách bằng các chu kỳ chuyển mạch khóa với thời gian bằng nhau. Thông số kỹ thuật dòng xung thường được đưa ra như là một hàm của thời gian xung theo số chu kỳ của tần số nguồn như trong hình 1.8 Dòng xung cực đại không lặp lại (IFRM): Thông số kỹ thuật này tương tự như trên, ngoại trừ thời lượng xung dòng điện, giả thiết trong một nửa chu kỳ của tần số nguồn. Thông số kỹ thuật này được đưa ra Hình 1.9 Xung dòng điện không lặp như là một hàm của thời lượng xung hiện tại lại theo độ rộng xung như trong hình 1.9. Tích phân dòng xung cực đại (∫i2dt): Đây là thông số kỹ thuật liên quan đến dòng xung và đưa ra mức độ năng lượng nhiệt được tạo ra bên trong thiết bị trong thời gian xung không lặp lại. Nó rất hữu ích cho việc chọn cầu chì bảo vệ mắc nối tiếp với điốt. Thông số kỹ thuật này cũng được đưa ra như là một hàm của độ rộng xung dòng điện như trong hình 1.9 17 2. Đặc tính động Điốt công suất cần thời gian nhất định để thực hiện chuyển mạch từ khi đặt điện áp thuận (UAK > 0) vào điốt để điốt dẫn, đến khi đặt điện áp ngược (UAK < 0) điốt khóa. Phản ứng của dòng điện và điện áp điốt trong các giai đoạn chuyển mạch này rất quan trọng vì những lý do sau đây. • Quá điện áp hay quá dòng điện có thể do chuyển mạch điốt tại các vị trí khác nhau trong mạch sử dụng điốt. • Điện áp và dòng điện tồn tại đồng thời trong quá trình hoạt động chuyển mạch của một điốt. Do đó, mọi chuyển mạch của điốt sẽ sinh số tổn hao công suất. Ở tần số chuyển mạch cao, tổn hao này có thể chiếm một tỷ lệ đáng kể vào tổn hao công suất chung trong điốt. Lưu ý: Khi nghiên cứu về chuyển mạch, trong tài liệu này, tùy theo ngữ cảnh có sử dụng một số từ đồng nghĩa: chuyển mạch mở, chuyển mạch bật, chuyển mạch đóng là đồng nghĩa; chuyển mạch khóa, chuyển mạch tắt là đồng nghĩa Phản ứng của điốt công suất khi chuyển mạch mở: Điốt thường được sử dụng trong các mạch có cuộn cảm với giới hạn di/dt. Tốc độ tăng của dòng điện thuận chạy qua điốt trong khi chuyển mạch mở có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính giảm điện áp chuyển tiếp. Như trên hình 1.10, điện áp thuận điốt trong khi mở có thể đạt giá trị UFr cao hơn đáng kể so với điện áp ổn định ở dòng điện ổn định IF. Trong một số mạch chuyển đổi nguồn (ví dụ: biến tần nguồn điện áp), trong đó một điốt xả năng lượng, điện áp quá độ này có thể đủ cao để phá hủy công tắc nguồn chính. UFr (được gọi là điện áp phục hồi thuận) Hình 1.10 Dạng sóng dòng điện và điện áp của điốt công suất khi được đưa ra như là một hàm của di/dt thuận chuyển mạch mở trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất. Các giá trị tiêu biểu nằm trong phạm vi (10-30) V. Thời gian phục hồi chuyển tiếp (tfr) thường trong vòng 10 s. Chuyển mạch khóa của điốt công suất: Hình 1.11 minh họa phản ứng chuyển mạch khóa điển hình của một điốt công suất, giả thiết tốc độ giảm được kiểm soát của dòng điện phía thuận. Các đặc điểm nổi bật của đặc tính này là: 18
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan