Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trung cấp) - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.48 MB, 127 trang )
ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ YẾN (Chủ biên)
TRẦN THỊ HƯƠNG GIANG – NGUYỄN ĐỨC NAM
GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hịa khơng khí
Trình độ: Trung cấp
(Lưu hành nội bộ)
Hà Nội - Năm 2021
LỜI NÓI ĐẦU
Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh - sinh viên và tài liệu cho giáo
viên khi giảng dạy, Khoa Điện Trường CĐN Việt Nam - Hàn Quốc thành phố
Hà Nội đã chỉnh sửa, biên soạn cuốn giáo trình “Điện tử cơng suất” dành riêng
cho học sinh - sinh viên nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hịa khơng khí. Đây là
mơ đun kỹ thuật chun ngành trong chương trình đào tạo nghề Kỹ thuật máy
lạnh và điều hịa khơng khí trình độ Trung cấp.
Nhóm biên soạn đã tham khảo các tài liệu: Nguyễn Thế Công, Trần Văn
Thịnh, Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật
2008; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất,
Nxb Khoa học kỹ thuật 2004; Lê Đăng Doanh, Nguyễn Thế công, Trần Văn
Thịnh, Điện tử công suất tập 1,2, Nxb Khoa học kỹ thuật 2007 và nhiều tài liệu
khác.
Mặc dù nhóm biên soạn đã có nhiều cố gắng nhưng khơng tránh được
những thiếu sót. Rất mong đồng nghiệp và độc giả góp ý kiến để giáo trình hồn
thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2021
Chủ biên: Nguyễn Thị Yến
1
MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU ..................................................................................................... 1
MỤC LỤC ............................................................................................................ 2
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN ................................................................................ 4
Bài 1 Mở đầu: Tổng quan về điện tử công suất ........................................... 7
1.1. Giới thiệu chung về điện tử công suất ................................................... 7
1.2. Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất ..................... 8
Bài 2 Bộ chỉnh lưu ........................................................................................ 40
2.1. Khái quát chung ................................................................................... 40
2.2. Mạch chỉnh lưu không điều khiển........................................................ 40
2.3. Mạch chỉnh lưu có điều khiển .............................................................. 60
Bài 3 Mạch biến đổi điện áp xoay chiều ..................................................... 83
3.1. Khái quát chung ................................................................................... 83
3.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha .............................................. 84
3.3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha ................................................ 89
Bài 4 Bộ biến đổi điện áp một chiều ............................................................ 93
4.1. Khái quát chung ................................................................................... 93
4.2. Mạch giảm áp – mắc nối tiếp ............................................................... 94
4.3. Mạch tăng áp – mắc song song ............................................................ 94
4.4. Bộ ổn áp ............................................................................................... 95
4.5. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều ............. 100
Bài 5 Bộ nghịch lưu ..................................................................................... 104
5.1. Mạch điều khiển nghịch lưu dòng và nghịch lưu cộng hưởng một pha
........................................................................................................................... 104
5.2. Mạch điều khiển nghịch lưu dòng ba pha .......................................... 105
5.3. Điều khiển nghịch lưu áp một pha ..................................................... 106
5.4. Điều khiển nghịch lưu áp ba pha ....................................................... 107
Bài 6 Bộ biến tần ......................................................................................... 109
6.1. Khái niệm chung ................................................................................ 109
6.2. Bộ biến tần gián tiếp .......................................................................... 109
2
6.3. Biến tần trực tiếp ................................................................................ 113
6.4. Sự làm việc có dịng điện vịng .......................................................... 119
6.5. Điều khiển biến tần trực tiếp .............................................................. 122
6.6. Bộ biến tần đường bao ....................................................................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 126
3
GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN
Tên mơ đun: Điện tử cơng suất
Mã mô đun: MĐ 17
Thời gian thực hiện: 60 giờ (Lý thuyết: 20 giờ; Thực hành, thí nghiệm,
bài tập, thảo luận: 38 giờ; Kiểm tra: 2 giờ)
I. Vị trí, tính chất mơ đun
- Vị trí:
Mơ đun được bố trí sau khi học sinh học xong các mô-đun/ môn học Đo
lường điện lạnh, Điện tử cơ bản.
- Tính chất:
Là mơ đun chun môn nghề bắt buộc.
II. Mục tiêu mô đun
- Kiến thức:
Hiểu và trình bày được đặc tính và cấu tạo của các linh kiện điện tử cơng suất.
Phân tích và tính tốn được các mạch điều khiển cơng suất như: chỉnh lưu,
biến đổi AC, biến đổi DC và nghịch lưu.
Giải được các bài toán cơ bản của mạch: chỉnh lưu, biến đổi AC, biến đổi
DC và nghịch lưu.
- Kỹ năng:
Đo kiểm tra tình trạng hoạt động và xác định chân của các linh kiện công suất.
Lắp ráp được các mạch chỉnh lưu và mạch ứng dụng kỹ thuật chỉnh lưu
vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu.
Lắp ráp được các mạch biến đổi điện AC và mạch ứng dụng kỹ thuật biến
đổi điện AC vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu.
Lắp ráp được các mạch biến đổi điện DC và mạch ứng dụng kỹ thuật biến
đổi điện DC vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu.
Lắp ráp được các mạch nghịch lưu và mạch ứng dụng kỹ thuật nghịch lưu
vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, tác phong cơng nghiệp trong lao
động sản xuất.
+ Có tác phong cơng nghiệp, ý thức tổ chức kỷ luật, khả năng làm việc
độc lập cũng như phối hợp làm việc nhóm trong q trình sản xuất.
4
III. Nội dung mô đun
Thời gian
TT
Tên các bài trong mô đun
Tổng
Lý
Thực Kiểm
số thuyết hành, thí tra
nghiệm,
bài tập,
thảo luận
1
Bài 1: Mở đầu
1
1
2
Bài 2: Bộ chỉnh lưu
29
6
22
2.1. Khái quát chung
1
2.2. Mạch chỉnh lưu không điều khiển
6
12
4
4
4
4
1
2.2.1. Mạch chỉnh lưu 1 pha
2.2.2. Mạch chỉnh lưu 3 pha
2.3. Mạch chỉnh lưu có điều khiển
2.3.1. Các sơ đồ mạch điện
2.3.2. Kết quả chỉnh lưu
3
Bài 3: Mạch biến đổi điện áp xoay
chiều
8
3.1. Khái quát chung
1
3.1.1. Khái niệm
3.1.2. Ứng dụng
3.2. Mạch biến đổi điện áp XC 1 pha
3.2.1. Sơ đồ mạch điện
2
2
1
2
3
5
3.2.2. Nguyên lý làm việc
3.2.3. Khảo sát mạch
3.3. Mạch biến đổi điẹn áp XC 3 pha
3.3.1. Sơ đồ mạch điện
3.3.2. Nguyên lý làm việc
3.3.3. Khảo sát mạch
4
Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
4.1. Khái quát chung
8
1
4.1.1. Khái niệm
4.1.2. Ứng dụng
4.2. Mạch giảm áp
1
5
3
1
4.2.1. Sơ đồ mạch điện
4.2.2. Nguyên lý làm việc
4.2.3. Lắp ráp, khảo sát mạch điện
4.3. Mạch tăng áp
1
2
4
4
4.3.1. Sơ đồ mạch điện
4.3.2. Nguyên lý làm việc
4.3.3. Lắp ráp và khảo sát mạch điện
5
Bài 5: Bộ nghịch lưu
8
5.1. Khái quát chung
1
5.1.1. Khái niệm
5.1.2. Ứng dụng
5.2. Mạch nghịch lưu 1 pha
1
3
2
1
3
5.2.1. Mạch nghịch lưu 1 pha điện áp
5.2.2. Mạch nghịch lưu 1 pha dòngđiện
5.3. Mạch nghịch lưu 3 pha
5.3.1 Sơ đồ mạch điện
5.3.2. Nguyên lý làm việc
6
Bài 6: Bộ biến tần
6
2
6.1. Khái quát chung
1
1
1
0.5
1
6.1.1. Khái niệm
6.1.2. Phân loại
6.1.3. Ứng dụng
6.2. Bộ biện tần 1 pha
6.2.1. Sơ đồ khối
0.5
1
6.2.2. Nguyên lý làm việc
6.2.3. Các thông số kỹ thuật
6.3. Bộ biến tần 3 pha
6.3.1. Sơ đồ khối
2
0.5
1.5
60
20
38
6.3.2. Nguyên lý làm việc
6.3.3. Các thông số kỹ thuật
Cộng:
6
2
Bài 1
Mở đầu: Tổng quan về điện tử công suất
Mục tiêu
- Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử cơng suất
- Tính tốn được các đại lượng trong điện tử cơng suất.
- Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập.
1.1. Giới thiệu chung về điện tử công suất
Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong cơng
nghiệp, mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung
số… Trong đó đối tượng được điều khiển để truyền năng lượng điện có kiểm
sốt từ nguồn đến tải. Cơng suất này có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt.
Yêu cầu quan trọng trong điện tử công suất là hiệu suất và giá trị kinh tế do đó
phải sử dụng kỹ thuật giao hốn nhằm giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển
đổi và điều khiển. Lĩnh vực áp dụng điện tử công suất được mô tả như hình vẽ
Hình 1.1: Bốn kỹ thuật biến đổi cốt lõi nhất của điện tử cơng suất
• AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu
• DC biến đổi thành DC: biến đổi điện một chiều
• DC biến đổi thành AC: nghịch lưu
• AC biến đổi thành AC: biến đổi điện xoay chiều
Trong cơng nghiệp, ngồi tải riêng phần lớn mạch điện tử công suất là điều
khiển động cơ để thực hiện các yêu cầu của tải
Trong chương này chúng ta khảo sát các nội dung sau
• Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, cơng suất…
• Các linh kiện cơng suất giao hốn có những đặc tính sau
• Các linh kiện cơng suất giao hốn thông dụng là: Diode, Transistor,
Mosfet,SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT…
7
1.2. Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất
1.2.1. Diode công suất
a. Chất bán dẫn
Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện
(có điện trở suất nhỏ) và chất khơng dẫn điện (có điện trở suất lớn). Chất khơng
dẫn điện cịn gọi là chất cách điện hay là chất điện môi.
Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay
đổi trong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm
mũ). Nói cách khác, chất này dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc
không dẫn điện ở nhiệt độ thấp. Đó là chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện)
Hình 1.2 Các nguyên tố bán dẫn
Trong bảng tuần hoàn (Mendeleev) các nguyên tố bán dẫn chiếm vị trí
trung gian (Hình 1.2) giữa các kim loại và á kim. Điển hình là Ge, Si… Vì ở
phân nhóm IV, lớp ngồi cùng của Ge, Si có 4 điện tử (electron) và chúng liên
kết đồng hoá trị với nhau tạo thành một mạng bền vững (Hình 1.3a).
Khi có một tâm không thuần khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa khơng
liên kết trong bán dẫn, những khuyết tật có thể của mạng tinh thể: nút chân
không, nguyên tử hay ion giữa các nút mạng, sự phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) thì
trường điện tuần hồn của tinh thể bị biến đổ và chuyển động của các điện tử bị
ảnh hưởng, tính dẫn điện của bán dẫn cũng thay đổi.
Nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn như In,
thì do lớp điện tử ngồi cùng của In chỉ có ba điện tử nên thiếu 1 điện tử để tạo
cặp điện tử đồng hoá trị. Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 diện tử của nguyên tử Ge
lân cận và làm xuất hiện một lỗ trống (hole) dương. Ion Ge lỗ trống này lại có
thể lấy 1 điện tử của nguyên tử Ge khác để trung hoà và biến nguyên tử Ge sau
thành một lỗ trống mới. Quá trình cứ thế tiếp diễn và bán dẫn Ge được gọi là
bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive).
Tương tự, nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn
như As, thì do lớp điện tử ngồi cùng của As có 5 điện tử nên sau khi tạo 4 cặp
8
điện tử đồng hoá trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 điện tử.
Điện tử này dễ dàng rời khỏi nguyên tử As và trở thành điện tử tự do. Bán dẫn
Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán dẫn âm (bán dẫn loại N – Negative).
Khi nhiệt độ chât bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều thì chuyển
động của các phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn.
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
In
Ge
a,
Ge
-
As
Ge
b,
Ge
Ge
c,
Hình 1.3: Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)
Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B, C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất
như ZnS, CdSb, AlSb…các ôxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các sulfua
như ZnS, CdS….
Hiện nay, các chất bán dẫn được dùng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa
học, kỹ thuật và đời sống.
b. Tính dẫn điện một chiều của lớp tiếp xúc P-N
Khi ghép 2 loại bán dẫn P và N lại với nhau (Hình 1.4) thì tại chỗ hai mặt
ghép giáp nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xúc P-N (ký hiệu là: J - Junction).
Quá trình xảy ra như sau: Tại chỗ ghép, các điện tử âm tự do từ bán dẫn N
chuyển sang bán dẫn P, chúng tái hợp với các lỗ trống và trở nên trung hồ về
điện. Phía bán dẫn P, do mất lỗ trống nên trở thành mang điện âm. Phía bán dẫn
N do mất điện tử nên trở thành mang điện dương. Do vậy, một điện trường E0 ở
lớp tiếp xúc P-N được hình thành và hướng từ N sang P (Hình 1.4a). Điện
trường nay như một bức rào ngăn không cho lỗ trống từ P tiếp tục sang N và
điện tử từ N tiếp tục sang P.
Nếu nối P-N với một nguồn điện một chiều để tạo sự phân cực thuận (Hình
4b) tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn P, cực âm của nguồn nối với
bán dẫn N thì có một điện trường ngồi (do nguồn ngồi tạo ra) hướng từ P sang
N, mạnh hơn E0 và ngược hướng E0. Điện trường này giúp lỗ trống dương tiếp
tục từ P sang N và điện tử tiếp tục từ N sang P tạo ra dòng điện thuận Ith qua lớp
tiếp xúc P-N.
Nếu nối P-N để tạo ra phân cực ngược (Hình 1.4c) tức là cực dương của
nguồn nối với bán dẫn N và cực âm của nguồn nối với bán dẫn P thì điện trường
9
ngoài sẽ hướng từ N sang P cùng chiều với lớp tiếp xúc E0 cản trở sự dịch
chuyển của các lỗ trống từ P sang N và điện tử tự do từ N sang P nên dịng điện
khơng tạo ra được. Trên thực tế, vẫn có một dịng điện rất nhỏ qua lớp tiếp xúc
gọi là dịng điện ngược (vì chảy từ N sang P) hay dòng điện rò.
Eo
Eo
P
- +
-
+
+
- +
+
-
P
N
Rt
J
-
P
N
Ith
E
+
I
Ith
+
+
+
+
I=0
+
C
Rt
-
-
+
c,
b,
a,
+
A
N
Ing = 0
E
-
Rt
Ing
Rt
C
A
+
+
+
+
Hình 1.4: Sự hình thành lớp tiếp xúc P-N
Vậy lớp tiếp xúc P-N có một tính chất đặc biệt là chỉ cho dòng điện chảy
qua khi phân cực thuận và ngăn cản khơng cho dịng điện chảy qua khi phân cực
ngược. Tính chất này có được là do điện trường lớp tiếp xúc E0 hướng từ N
sang P. Điện trường E0 tạo ra một bức rào thế.
c. Diode công suất
Diode là phần tử bán dẫn gồm 2 miếng bán dẫn P và N ghép lại với nhau.
Đầu nối với bán dẫn P gọi là anode (A), đầu nối với bán dẫn N gọi là cathode
(K).
Hình 1.5: Cấu tạo của Diode cơng suất
Đặc tính Von-Ampe của Diode biểu thị quan hệ I(U) giữa dòng điện qua
Diode và điện áp đặt vào hai cực Diode
Đặc tính Von-Ampe tĩnh của Diode có hai nhánh.
Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận thì dòng điện đi qua Diode tăng theo
điện áp. Khi điện áp đặt vào Diode vượt một ngưỡng Un cỡ 0,1V-0,5V và chưa
lớn lắm thì đặc tính có dạng Parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính
gần như đường thẳng (đoạn 2).
10
Điện trở thuận của Diode ở một điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và
I
U
có thể tính theo: Rth =
. Đó chính là nghịch đảo của giá trị đạo hàm dI/dU
của đặc tính tại điểm tính điện trở.
Nhánh ngược: ứng với phân áp ngược. Lúc đầu điện áp ngược tăng thì
dịng điện ngược (dịng điện rị) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (đoạn 3). Tới
điện áp ngược |U| > 0,1V thì dịng điện ngược có trị số nhỏ khoảng vài mA và
gần như giữ nguyên. Sau đó, khi điện áp ngược đủ lớn |U| > Ung.max thì dịng
điện ngược tăng nhanh (đoạn 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì Diode bị đánh thủng.
Hình 1.6: Đặc tính Von-Ampe của Diode
Lúc này, dịng điện ngược tăng vọt dù có giảm điện áp. Điện áp này gọi là
điện áp chọc thủng. Diode bị phá hỏng, để đảm bảo an toàn cho Diode, ta nên
chọn Diode làm việc với điện áp ngược điện áp ~ 0,8 Ung.max. Với Ung < 0,8
Ung.max thì dịng điện rị qua Diode nhỏ khơng đáng kể và Diode coi như ở
trạng thái khoá
Vùng khuỷu là vùng điện trở ngược của Diode đang từ trị số rất lớn
chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngược từ trị số rất nhỏ trở thành trị
số rất lớn.
Từ đặc tính V.A của Diode, có thể thấy Diode (do tính chất đặc biệt của
lớp tiếp xúc P-N) chỉ cho dòng điện chảy qua từ anode A sang cathode C khi
phân áp thuận và khơng cho dịng điện qua từ cathode C sang anode A khi phân
áp ngược.
Hình 1.7: Đặc tính V_A của Diode thực và Diode lý tưởng
11
Hình 1.8: Đặc tính Von-Ampe của Diode phụ thuộc nhiệt độ
Đặc tính của Diode thực là một đường phi tuyến (khơng thẳng) (đường a
hình 1.7). Đặc tính V.A của một Diode lý tưởng là nhữngđoạn thẳng (đường b
hình 1.7) vì khi phân áp thuận, điện trở RAC là bằng 0, dòng điện thuận coi như
ngắn mạch, còn khi phân áp ngược điện trở RAC là vơ cùng, khơng có dịng
điện ngược. Đặc tính V.A của Diode cịn thay đổi theo nhiệt độ (hình 1.8).
Qua đặc tính V.A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà Diode có thể dẫn
dịng hay khơng dẫn dịng. Diode là một van (valve) bán dẫn.
Tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu (nắn) dòng điện xoay chiều thành
một chiều.
Khi nối một Diode vào giữa một nguồn điện xoay áp chiều vào phụ tải
Diode sẽ dẫn dịng ở nửa chu kỳ cịn lại vì phân áp ngược. Sự chuyển đổi thơng
= khố của Diode là khơng tức thời mà cần có một thời gian nhất định.
toff – thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái thơng sang trạng thái
khố.
ton – thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thơng
(dẫn).
Chính vì vậy, nếu tần số điện áp xoay chiều q lớn thì Diode bình thường
có thể khơng tạo được chế độ khố.
d. Diode đệm
Diode đệm (cịn gọi là Diode phóng điện, Diode hồn năng lượng) là
Diode mắc song song ngược với một phụ tải điện một chiều có tính chất cảm
kháng (hình 1.9). Diode đệm D0 có hai nhiệm vụ:
- Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược và ở trạng thái
khố. Dịng điện tải được cấp từ nguồn một chiều (hình 9a). Khi ngắt nguồn (U=
0), do s.đ.đ tự cảm của của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng
trong phụ tải khép kín qua Diode D0 (hình 9b). Nếu khơng có Diode D0, điện
12
cảm ứng lớn sẽ đặt lên các phần tử nguồn và có thể phá hỏng chúng, đánh thủng
cách điện và nguy hiểm cho người.
- Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải.
I
+
I
+
R
U=0
U>0
R
Do
L
L
b,
a,
Hình 1.9: Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh sự giảm về 0 đột ngột
của dịng điện
Bình thường, dịng điện phụ tải có tính chất cảm kháng do nguồn cung cấp.
Khi dòng điện phụ tải giảm (đột ngột) hoặc bị ngắt rồi lại có, trong phụ tải sẽ
xuất hiện điện áp cảm ứng qúa độ rất lớn, dẫn đến các nguy hiểm đã nêu cho
thiết bị và nguồn. Diode D0 sẽ cho dòng cảm ứng khép kín qua nó và duy trì
dịng tải. Dịng cảm ứng phóng qua D0 có độ lớn tuỳ thuộc năng lượng điện từ
tích luỹ trong cuộn dây phụ tải tức là tuỳ thuộc trị số độ tự cảm L nhỏ hay lớn.
Cường độ dịng điện phóng giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian: ụ = L/R
Nếu ụ >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) thì cường độ dịng điện qua tải coi
như khơng đổi.
1.2.2. Transistor cơng suất
a. Đặc điểm chung
Transitor cơng suất có cấu tạo tương tự như Transitor thường với các loại
như NPN hay PNP. Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor cơng
suất thường được sử dụng như 1 khố đóng cắt điện tử. Tiếp giáp có diện tích
hàng mm2 và nó có thể cho dịng điện qua hàng chục hay hàng trăm Ampe, chịu
được tần số đóng cắt cao và điện áp làm việc lớn. Nó cịn được gọi là phần tử
khuếch đại chuyển mạch. Nghĩa là Transitor có hai điểm làm việc khác biệt.
Hình dưới đây mơ tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch.
+Us
R1
R2
Uout
Uin
t
t
Hình 1.10: Bộ khuếch đại chuyển mạch
13
Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm
việc ở hai trạng thái đóng hoặc cắt hay dẫn hay khơng dẫn.
b. Đường đặc tính làm việc
Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng cắt được ch như
hình vẽ. Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc: đóng
hoặc cắt hay dẫn hoặc ngưng dẫn.
A
Ub
Uc
+Ub
A3
Rc 5,6
R2
Uin
Ib
Ucb = 0
A4
A2
V1
Uout
R1
A1
Uce
Uce
Uce
V
Ub
Uce
Hình 1.11: Điểm làm việc của cơng tắc Transitor
Hình 1.11 cho thấy Transitor ngừng dẫn ở điểm làm việc A1 (dịng điện IB
= 0) chỉ có một dịng điện rị ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp bán dẫn.
Nếu Transitor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1
đến A2. ở đây dòng điện cực đại thu IC tăng tuyến tính với dịng điện IB khi
dịng điện IB tăng càng lớn thì điểm làm việc chuyển từ A2 vượt qua A3 đến
A4. Đến đầy dịng điện IC tăng rất ít, có nghĩa là Transitor bị điều khiển quá
mức. ở đây điên áp UCE giảm xuống bé hơn điện áp bão hoà UCEsat chúng
được gọi là: UCErest
c. Sự điều khiển quá mức của Transitor
Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có
dịng điện IB q lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng IC đạt
tới cực đại. ở điều khiển q mức thì dịng điện IC thay đổi khơng cịn tuyến
tính với dịng IB nữa. Điểm điều khiển quá mức đạt đến nếu UBE = UCEsat có
nghĩa là UCB = 0, Transitor được điều khiển quá mức nếu nó cần làm việc như
là một cơng tắc. Sự điều khiển q mức có ưu điểm sau là điện áp dư UCErest
rất nhỏ, làm cho công suất tổn hao bé.
Mức độ điều khiển quá mức được tính tốn theo hệ số điều khiển q mức
u nó chính là tỉ số dịng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor
điều khiển đến giới hạn UCB = 0.
14
u = IB/IB’,
Thông thường tỉ số này được chọn từ 2-5.
d. Khuếch đại chuyển mạch với tải là điện trở
Bộ khuếch đại chuyển mạch bằng Transitor được ứng dụng rộng rãi là bộ
chuyển mạch công suất. Trong trường hợp này tải có thể mắc trực tiếp với cực
Collector. Hình 1.12 và 1.13 là sơ đồ nguyên lí của một bộ chuyển mạch công
suất với tải là điện trở thuần và miền đặc tính lí tưởng của mạch.
Độ dốc của đường làm việc trên hình 1.12 được xác định qua độ lớn của
điện trở tải. ở điểm làm việc A1 (IB = 0A) Transitor khơng dẫn. ở điểm A2 thì
Transitor dẫn. Vì Transitor điều khiển quá mức nên điện áp UCErest tương ứng
nhỏ. Như vậy trong khi đóng cũng như trong khi ngắt mạch điện, điểm làm việc
của mạch chuyển dời giữa điểm làm việc A1, A2 dọc theo đường thẳng làm việc
đã được điện trở thuần xác định. Trong thực tế khơng chỉ có các điện trở thuần
mà có khi cịn có điện dung hoặc điện cảm mắc trong mạch, ví dụ như cuộn dây
Rơle hoặc cuộn dây của nam châm điện, độ tự cảm của chúng trực tiếp làm trở
ngại đến quá trình chuyển mạch tiếp giữa các điểm làm việc. Khi ngắt mạch
nhanh các điện cảm này, có thể xuất hiện đỉnh điện áp lớn hơn điện áp nguồn
ni đặt vào Transitor, do vậy mà có thể dẫn tới tình trạng phá hỏng Transitor.
Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ.
Ic
+Us
A2
Rload
R1
V1
A1
Uin
Us
Uce
Hình 1.13
Hình 1.12
e. Khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện
Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương
ứng được mơ tả trên hình 1.14 và 1.15. Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên
trở tải vì nếu khơng sẽ khơng có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh.
15
+Us
Rload
Ic
A2
Cload
R1
V1
A1 Ib= 0A
Uin
Us
Hình 1.14. Chuyển mạch cơng suất với tải tụ
điện
Uce
Hình 1.15. Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện
f. Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây
Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuyển mạch công suất với tải là cuộn dây
và đường đặc tính tương ứng mơ tả trên hình 1.16 và 1.17.
Trong điểm làm việc A1, Transitor khơng dẫn. Khơng có dịng điện chạy
qua Rload và Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường. Trong khoảnh
khắc đóng mạch có sẵn dịng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện
động cảm ứng. Lúc đầu nó nhỏ hơn điện áp nguồn ni UB và nó nhỏ dần.
Chính sức điện động cảm ứng này sinh ra dịng điện có chiều ngược với chiều
dịng IC, nên dòng IC bị tác động chỉ tăng từ từ. Điểm làm việc chuyển dời
trong pham vi quá độ trên đường đặc tính mơ tả là phía dưới theo chiều mũi tên
tới làm việc A2.
+Us
Ic
Rload
A2
Lload
Khong co
Diode bao ve
Co Diode bao
ve
R1
V1
A1 Ib= 0A
Uin
Us
Hình 1.16. Chuyển mạch cơng suất với tải
điện cảm
Uce
Hình 1.17. Đường đặc tính làm việc với tải điện
cảm
16
Ở điểm làm việc A2 Transitor dẫn một dòng collector nhất định. Dòng này
chạy qua Rload và Lload. Trong cuộn dây lúc này dự trữ một năng lượng từ trường.
Hình 1.18: Mạch bảo vệ bằng Diode cho mạch khuếch đại chuyển mạch công suất
Trong khoảnh khắc ngắt mạch, Transitor không dẫn, như vậy kéo theo một
sự cùng đổ vỡ của từ trường và năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng. Nó xuất
hiện một sức điện động tự cảm UL mà cực dương của nó đặt trực tiếp vào cực C
của Transitor, độ lớn của sức điện động tự cảm này phụ thuộc vào năng lượng
dự trữ và sự nhanh hay chóng của q trình ngắt (thời gian q trình ngắt).
Lúc này điểm làm việc chuyển dời trong phạm vi quá độ trên đường đặc tính
phía trên theo hướng mũi tên tới điểm làm việc A1. Qua hiện tượng tự cảm, trong
q trình ngắt mạch có thể sẽ xuất hiện trên cực C của Transitor một điện áp quá
cao, cao hơn cả điện áp UB. Điều này có thể dẫn tới tình trạng làm hỏng Transitor,
do đó các mạch có tải là các cuộn dây thường cần có biện pháp bảo vệ. Một trong
những biện pháp bảo vệ là người ta thực hiện theo sơ đồ hình 1.18
1.2.3. Transitor trường – Field effect Transistor
a. Khái niệm
Transitor trường được viết tắt là FET (Field effect Transitor) là loại
Transitor có tổng trở đầu vào rất lớn khác với Transitor lưỡng cực BJT (Bipolar
Junction Transitor) loại NPN hay PNP có tổng trở đầu vào tương đối nhỏ ở cách
lắp ráp thông thường kiểu E chung.
Hình 1.19. Sơ đồ ngun lí hoạt động của FET
17
Sự điều khiển dịng điện ở FET thơng qua một điện trường nằm vng góc
với đường dịng điện. Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928.
Nhưng ứng dụng thực tế chỉ xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn
khác nhau ra đời. Hình 16 mơ tả ngun lí làm việc của FET.
Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dịng điện chính ln luôn chạy qua
hai vật liệu bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dịng điện chỉ chạy ở 1
trong 2 loại bán dẫn nêu trên. Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn
loại N được gọi là bán dẫn kênh N. Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi
là kênh P. Sơ đồ dưới đây mô tả các loại khác nhau của Transitor trường.
Các Transitor trường có 3 chân:
Cực máng D (Drain),
Cực nguồn (Source),
Cực cổng (Gate).
Các cực của Transitor trường trong so sánh với Transitor BJC
Cực S tương đương với cực Emitter
Cực G tương đương với cực Base
Cực D tương đương với cực Collector
Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109Ω,
ở MOSFETs thậm chí khoảng 1015Ω) cho nên sự điều khiển dịng điện trong
Transitor trường có cơng suất tổn hao gần bằng khơng. Vì vậy việc ứng dụng
Transitor trường rất rộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs.
Hình 1.20. Ký hiệu Transitor trường
b. Transitor JFET (Junction FET)
- Cấu tạo, nguyên lí làm việc
JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối. Gọi tắt là FET.
JFET có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P.
Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ. Cấu tạo của nó bao
gồm có một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung
quanh nó một lớp bán dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa
ra điện cực là cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate).
18
Hình 1.21: Mặt cắt của một JFET kênh N
Như vậy hình thành một kênh dẫn điện loại N nối giữa hai cực D và S,
cách li với cực cổng G dùng làm cực điều khiển bởi một lớp tiếp xúc bao quanh
kênh dẫn. Đối với JFET kênh P thì hồn tồn tương tự. Ký hiệu và cực tính điện
áp phân cực cũng như dịng điện và đặc tính điều khiển cho các JFET loại kênh
N và kênh P như hình 1.22.
- Nguyên lí hoạt động
Để phân cực JFET người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS > 0 và
UGS < 0 như hình vẽ (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ
ngược lại sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực
ngược). Do tác dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng
điện (là dòng điện tử đối với loại kênh N) hướng từ cực D tới cực S, được gọi là
dòng điện cực máng ID. Dịng IĐ có độ lớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và
UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc mạnh vào cả hai điện trường này. Điều
này có thể giải thích như sau:
-ID
ID
D
D
G
S
+
UDS
G
+
S
-
+
-UGS
-
-UDS
-
-UD
+
UGS
-ID
ID
-UGS
UGS
Hình 1.22: Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET
19
Khi đặt điện áp -UGS giữa cực G và cực S (hình 1.22) thì cả hai tiếp giáp
PN đều bị phân cực ngược. Trong chất bán dẫn loại P và N bắtđầu hình thành
vùng chắn làm cho dịng điện khơng còn chạy qua được giữa hai vùng tiếp giáp
PN phân cực ngược. Khi vùng chắn cứ rộng mãi ra thì dòng điện trong kênh nhỏ
dần đi. Trong kênh gần cực Source là rộng nhất và phía cực Drain thì nhỏ hơn.
Điện áp -UGS càng lớn bao nhiêu thì vùng chắn trong kênh càng lớn bấy
nhiêu và dòng điện chạy trong kênh càng nhỏ đi bấy nhiêu. Độ lớn của điện trở
RDS giữa Source và Drain của JFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp -UGS.
Như vậy điện áp có thể làm thay đổi được điện trở RDS. Khi các vùng chắn tiếp
xúc với nhau thì dịng điện sẽ bị gián đoạn và kênh lúc này bị thắt lại. Dòng điện
ID lúc này sẽ bằng khơng. Vì tiếp giáp PN phân cực ngược nên chỉ có một dịng
điện rất nhỏ chạy qua, do đó việc điều khiển dịng điện ID bằng điện áp -UGS có
cơng suất tổn hao rất nhỏ.
- Đường đặc tính
Đường đặc tính đầu ra biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện cực máng ID
và điện áp UDS khi UGS bằng hằng số.
- Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra:
Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0
Đặt U1 ở giá trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số
Đóng cơng tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau
Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UDS
Mở công tắc S1, chỉnh U2 về không và U1 ở giá trị điện áp tiếp theo
Lập lại quá trình đo như trên.
ID
A
R1
D
G
UDS
V
S1
U2
S
U1
-UGS
V
RGS
Hình 1.23: Đặc tuyến đầu ra của JFET chia thành 3 vùng rõ rệt
Vùng tuyến tính
Khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào
UGS. Đây là vùng làm việc mà JFET giống như điện trở thuần cho tới lúc
đường cong bị uốn mạnh
20
Vùng bão hoà
Khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu vào UDS và phụ thuộc mạnh vào
UGS. Đây là vùng làm việc mà JFET giống như một phần tử khuếch đại, dòng
điện ID được điều khiển bằng điện áp UGS.
Vùng đánh thủng
Khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột biến do tiếp giáp PN bị đánh
thủng, hiện tượng thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp ngược đặt lên
tiếp giáp PN tại vùng này là lớn nhất.
ID
Vung tuyen tinh
Vung bao hoa
UGS = 0
UDS Rest
20
UGS = -1
UDS Rest
15
Vung danh thung
UGS = -2
UDS Rest
10
UGS = -3
UDS Rest
5
UGS = -4
UDS Rest
0
VDS
-
5
10
15
20
Các tham số của JFET
Tham số giới hạn
Dòng điện IDmax là dòng điện máng cực đại cho phép (ứng với UGS =0)
Điện áp UDSmax là điện áp máng nguồn cực đại cho phép
Điện áp UGSmax là điện áp cổng nguồn cực đại cho phép
Điện áp khố UGS(P) là điện áp cổng nguồn làm cho dịng ID = 0
Tham số làm việc
Điện trở đầu ra dòng một chiều RDS: RDS = UDS/ID
Điện trở đầu ra dòng xoay chiều rDS: rDS = ÄUDS/ÄID, rDS thể hiện độ
dốc của đường đặc tính đầu ra trong vùng bão hồ.
Hỗ dẫn của đặc tính truyền dẫn S: S = ÄID/ ÄUGS cho biết tác dụng điều
khiển của điện áp cực cổng tới dòng cực máng.
c. Transitor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li)
Ở MOSFETs, sự điều khiển không thông qua lớp chắn mà qua một lớp
cách điện. Lớp cách điện này về nguyên tắc có cấu tạo từ oxýt kim loại cũng
21
chính vì vậy mà người ta gọi là MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor FET).
Khi viết tắt người ta cũng thường hay viết IFET (I: insulated) hoặc IGFET (IG:
insulated gate).
Source
Gate
N+
P
Drain
Drain
N+
Gate
P+
Source
Hình 1.24. Cấu tạo của MOSFETs kênh liên tục
MOSFETs được chia làm hai loại: Loại có kênh liên tục hay cịn gọi là
MOSFETs có kênh đặt sẵn và loại có kênh gián đoạn cịn gọi là MOSFETs có
kênh cảm ứng. MOSFETs có kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi UGS = 0V.
ở MOSFETs có kênh gián đoạn thì ngược lại, khi UGS = 0V thì nó khơng dẫn.
Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh
N hay kênh P. Mỗi loại có một kí hiệu riêng như ở hình 18.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của MOSFETs kênh liên tục.
1.2.4. Thyristor (SCR-Silicon Controlled Rectifier)
a. Cấu tạo, ký hiệu
- Cấu tạo: Thyristior là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2
ghép lại. Tạo nên 3 cực anode A, Cathode K và Gate G
Về lý thuyết có hai loại Thyristor:
Thyristor kiểu N hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần
anode, có ký hiệu như trên hình a:
Thyristor kiểu P hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng P gần
cathode, có ký hiệu như trên hình b:
Trong thực tế thường gặp Thyristor kiểu N
A
A
A
K
G
P1
JA
N1
P2
N2
G
K
JC
JK
G
G
K
A
Hình 1.25: a. Cấu tạo Thyristor b. Hình dáng bên ngồi
22
K
Hình1.26: Ký hiệu Thyristor
Về cấu trúc Thyristor được tạo nên từ một đĩa silic đơn tinh thể loại n có
điện trở suất rất cao. Trên lớp đệm bán dẫn loại P có cực điều khiển bằng dây
nhôm. Các chuyển tiếp được tạo nên nhờ kỹ thuật bay hơi Gali. Lớp tiếp xúc
giữa anode và cathode làm bằng đĩa Molipden hay túngten có điểm nóng chảy
gần bằng Silic. Cấu tạo có dạng đĩa để dễ tản nhiệt.
Để giải thích rõ sự làm việc Thyristor ta xét chi tiết các lớp bán dẫn bên
trong Thyristor.
Hình 1.25: Các lớp bán dẫn Thyristor
- Lớp cathode là bán dẫn loại dãn bình thường N rất mỏng (10-100m)
có mật độ điện tử rất cao, 1014cm-3, do vậy khi dòng điện thuận qua sẽ tạo
nhiều điện tử ở lớp điều khiển. Lớp Cathode có dịng điện ngược lớn nhưng chỉ
chịu điện áp thấp vì chiều dày bé.
- Lớp điều khiển là bán dẫn loại P rất mỏng cỡ 10m, có mật độ điện tử
trung bình, do vậy hầu hết các điện tử xuất phát từ Cathode đều tới được lớp
điều khiển.
- Lớp chắn là lớp bán dẫn loại N dày nhất có mật độ điện tử thấp nhất, do
đó có dịng điện ngược (dịng điện rị) nhỏ và chịu được điện áp ngược lớn.
- Lớp anode là bán dẫn loại P có chiều dày và mật độ trung bình. Lớp sát
vỏ anode có mật độ điện tích rất cao làm gảim điện trở thuận. Lớp anode có
dịng điện ngược nhỏ và chịu gần như toàn bộ điện áp ngược đặt lên Thyristor.
Lớp chắn càng dày càng chịu được điện áp ngược lớn, nhưng tần số
chuyển mạch sẽ giảm bởi vì điện tích tích luỹ khi dẫn sẽ nhiều hơn.
Thyristor 300A, 200V có lớp Silic đường kính 30mm, dày 0,7mm
23
b. Sự hoạt động của Thyristor
- Thyristor phân cực ngược
- Thyristor phân cực ngược
- Đặc tính Volt Ampe của Thyristor (Gồm 4 đoạn).
IT
ITM
UBR
URRM
D
B
IL
IH
C
0
UDRM
UBO
UT
A
Hình 1.26: Đặc tính Volt Ampe của Thyristor
- Đoạn 1: Trạng thái khoá của Thyristor. Khi u tăng đến uch (u chuyển
trạng thái) bắt đầu quá trình tăng nhanh của dòng điện, Thyristor chuyển sang
trạng thái mở.
- Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận J2, mỗi một lượng tăng nhỏ
của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trên Thyristor.
- Đoạn 3: Trạng thái mở của Thyristor J1, J2, J3 trở thành mặt ghép dẫn điện.
- Đoạn 4: Thyristor bị đặt áp ngược -> Thyristor bị chọc thủng (do u tăng
nên ing cũng tăng lên).
c. Các thông số cơ bản của Thyristor
- Các thông số cơ bản là những thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn
một Thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó.
- Giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua Thyristor Itb.
Đây là giá trị dịng 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 cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào
các điều kiện làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải lượng
nhiệt toả ra nhanh hơn. Nói chung có thể lựa chọn dịng điện theo các điều kiện
làm mát như sau:
24
