nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật và công nghệ chế tạo các hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy móc và các thiết bị tàu thuỷ (ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn)

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ
o0o




BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

“TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ
KỸ THUẬT CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT”

Thuộc đề tài cấp nhà nước

“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ
CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”
(Ứng dụng điện tử công suất lớn)
Mã số: KC.06.23.CN
Chủ nhiệm Đề tài: Th.s Nguyễn Văn Thắng

Thực hiện chuyên đề: THS. NGUYỄN VĂN THẮNG

6981-2
08/9/2008



Hà nội, tháng 05/2008
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


1
Mục lục
I. Khái niệm chung và yêu cầu của các phần tử công suất lớn. 4
1.1.Khái niệm chung: 4
1.2. Nhu cầu thực tế đòi hỏi: Sự cần thiết phải phát triển công nghệ chế tạo PTCS 4
II. Phân loại và các đặc trng kỹ thuật của các phần tử ĐTCS
lớn. 5

2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất lớn 5
2.2. Chất bán dẫn 6
2.3. Các phần tử công suất không điều khiển - Diode công suất 7
2.4. Phân tử công suất điều khiển không hoàn toàn - Thyristor, Triac 9
a. Thyristor: 9
b. Triac (Triode altractive curent) 14
2.5. Phần tử công suất điều khiển hoàn toàn 15
a. Transistor công suất, BJT (Bipolar Junction Tranzitor) 15
b. GTO ( Gate Turn- off Thyristor ) 16

c. Transistor trờng, Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect.) (Transistor mos
công suất) 18

d. MCT (Mos Controlled Thyristor) 20
2.6. So sánh tơng đối giữa các phần tử bán dẫn công suất 20
III. ứng dụng 21
3.1. Mạch chỉnh lu: 21
3.1.1. Giới thiệu chung về mạch chỉnh lu: 21
3.1.2. Các mạch chỉnh lu cơ bản 24
3.2. Các bộ biến đổi xung áp một chiều 42
3.2.1. Bộ biến đổi giảm điện áp (băm xung nối tiếp) 43
3.2.2. Bộ biến đổi tăng áp (băm xung song song) 43
3.2.3. Bộ biến đổi xung áp một chiều có đảo chiều dòng điện 44
3.2.4.Bộ băm xung đảo chiều điện áp nhng không đảo chiều dòng điện 46
3.2.5. Bộ băm xung đảo chiều cả điện áp và dòng điện 46
3.3. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 48
3.3.1. Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều một pha: 48
3.3.2. Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha 50
3.4. Nghịch lu độc lập 52
3.3.1. Sơ đồ nghịch lu độc lập nguồn điện áp cầu một pha tải có tính chất cảm kháng
52

3.3.2. Sơ đồ nghịch lu độc lập nguồn dòng điện cầu một pha tải cảm kháng 54
3.3.3. Nghịch lu dòng ba pha tải cảm dùng Thyristor thờng. 55
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


2
3.3.4. Nghịch lu áp ba pha sử dụng van điều khiển hoàn toàn 57
3.5. Thiết bị biến tần 60

3.5.1. Biến tần gián tiếp 60
3.5.2. Biến tần trực tiếp 61
Tài liệu tham khảo 64

Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


3
Lời mở đầu
Tàu thuỷ là một trong những phơng tiện vận tải rất quan trọng, đặc biệt là đối
với các quốc gia nằm ven biển nh Việt Nam. Khi thực hiện các chức năng chính là
vận tải, tàu có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài trên biển, chuyên chở đợc
nhiều hàng hoá đến các cảng xa bờ với giá thành rẻ. Ngoài ra, phơng tiện này còn
mang lại lợi ích phục vụ rất lớn cho việc thăm dò đại dơng, đánh bắt hải sản xa bờ,
và đặc biệt là đảm bảo an ninh quốc phòng đối với vùng biển và hải đảo.
Trong giai đoạn hiện nay, theo đờng lối đổi mới, phát triển công nghiệp hoá,
hiện đại hoá Đất nớc nói chung và chủ trơng hiện đại hoá ngành công nghiệp đóng
tàu cũng nh nội địa hoá các sản phẩm của ngành tàu thuỷ. Các cán bộ, nhân viên
của ngành tàu thuỷ đã không ngừng nâng cao năng lực thiết kế, cải tạo chiều sâu, đổi
mới công nghệ đóng mới hàng loạt tầu. Cùng với việc đóng mới là vấn đề về trang bị
kỹ thuật tự động hoá, hiện đại các hệ thống trên tàu. Thực tế cho thấy là các sản
phẩm, trang thiết bị trên phức tạp trên tàu hầu hết đều phải nhập ngoại từ nớc ngoài
với giá thành rất đắt.
Trớc những nhu cầu và thách thức đó, vấn đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, ứng
dụng kỹ thuật tự động hoá và vi xử lý để dần dần nội địa hoá các sản phẩm trên tàu
thuỷ, đặc biệt là trong việc điều khiển và tự động hoá tàu biển phù hợp với các không
gian, tích chất hoạt động của tàu, việc khởi động, điều khiển các thiết bị công suất lớn,
động cơ công suất lớn càng đòi hỏi cấp thiết vì chức năng điều khiển, không gian,
trọng lợng, độ bền và độ tin cậy của thiết bị điều khiển. Việc nghiên cứu cải tiến và
ứng dụng các phần tử công suất lớn vào việc điều khiển tối u cho các thiết bị, động

cơ, máy móc tàu thuỷ nhằm giải quyết các yêu cầu đó đồng thời ứng dụng những kỹ
thuật hiện đại nhất trên thế giới, đa ngành công nghiệp tàu thuỷ nớc nhà phát triển.
Trong giới hạn chuyên đề này chúng tôi chỉ trình bày tổng quan về các phần tử
công suất lớn áp dụng trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị có công suất lớn trên tàu
thuỷ.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


4
I. Khái niệm chung và yêu cầu của các phần tử công suất lớn.
1.1.Khái niệm chung:
Trớc tiên ta phải làm rõ các phần tử công suất lớn là gì ?.
Có thể hiểu 1 cách định tính các phần tử công suất là các linh kiện hay một thiết
bị công suất trong một hệ thống điều khiển nh: thiết bị truyền tải, điều khiển hay
chuyển đổi năng lợng từ dạng này sang dạng khác.
Từ khi các phần tử công suất lớn ra đời cho đến nay đã làm thay đổi hoàn toàn
cách nhìn nhận trong việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống và ngày càng đi sâu
vào mọi mặt của nền kinh tế công nghiệp và kinh tế dân dụng nó đã góp phần nâng
cao năng suất lao động cũng nh hiệu quả kinh tế.Trong các lĩnh vực công nghiệp hay
dân dụng đều áp dụng các phần tử công suất nh : Các động cơ trong điều khiển các
dây truyền với hàng trăm KW, các thiết bị nâng hạ trong công nghiệp và trong dân
dụng, các thiết bị truyền tải điện, hay thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều, xoay
chiều với công suất lớn. Đặc biệt nh các thiết bị công suất lớn trên tàu thuỷ nh: Cần
cẩu, tời neo, máy lái, thang mạn
1.2. Nhu cầu thực tế đòi hỏi: Sự cần thiết phải phát triển công nghệ chế tạo
PTCS.
Nh ta đã biết: Việc điều khiển các thiết bị có công suất lớn trong một hệ thống
truyền dộng có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản
xuất. Đặc biệt trong thời đại phát triển công nghiệp, điều khiển và tự động hoá nh
hiện nay, các hệ truyền động với các phần tử công suất lớn góp phần quan trọng trong

việc nâng cao chất lợng sản phẩm, nâng cao năng suất và mở rộng phạm vi hoạt động
của hệ thống.
Trong những năm đầu nhãng năm 50 của thế kỷ 20 thì ngành điện tử công công
nghiệp ra đời nhng các ứng dụng của chúng bị hạn chế vì thiếu những phần tử công
suất lớn có hiệu quả cao, kích thớc nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao, khi đó với
các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thuỷ ngân không đáp ứng đợc các yêu
cầu khắt khe của điều khiển công nghiệp.
Từ những năm 60 của thế kỷ 20 do sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn, một loạt
những linh kiện bán dẫn nh : Điốt, Tiristo, Tranzito công suất ra đời cũng đã làm
thay đổi bộ mặt điều khiển các phần tử công xuất lớn đa nền công nghiệp tiến lên
một bớc nữa. Ngày nay với việc áp dụng các tiến bộ kỹ thuật tin học điện tử, nên
công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện tạo ra các bộ
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


5
biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng đợc tính
năng ngày càng phong phú, độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm
giảm kích thớc và hạ giá thành sản phẩm.
Do vậy đông thời với việc phát triển nền kỹ thuật công nghệ cao, đồng thời sec
thúc đẩy và phát triển công nghệ chế tạo các phần tử công suất lớn đáp ứng với nhu
cầu và kỹ thuật ngày càng cao trong khoa hoc, công nghiệp và đời sống.
II. Phân loại và các đặc trng kỹ thuật của các phần tử ĐTCS lớn.
2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất lớn.
Các phần tử bán dẫn công suất đợc sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi nh
các khoá điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi
khoá thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử
có tiếp điểm, khi các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện không gây nên tia lửa
điện, không bị mài mòn theo thời gian. Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhng
các van bán dẫn lại đợc điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch

điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và
phụ thuộc cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Nh vậy hiệu suất của các
bộ biến đổi phụ thuộc trớc hết vào tổn thất trên các van bán dẫn, trong quá trình làm
việc tổn thất này bằng tích của dòng điện chạy qua van với điện áp rơi trên van.
Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn ngày nay đã đạt đợc những bớc tiến
bộ vợt bậc, với việc cho ra đời những phần tử kích thớc này càng nhỏ gọn, khả năng
đóng cắt dòng điện và chịu điện áp cao ngày càng lớn với tổn hao công suất giảm đáng
kể, ngày càng đáp ứng những yêu cầu phức tạp của các quy luật biến đổi năng lợng
trong các bộ biến đổi. Sự phát triển của các phần tử bán dẫn có vai trò quyết định cho
sự phát triển của Điện tử công suất, góp phần tạo ra nhiều chủng loại bộ biến đổi với
những ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống.
Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là
điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần
tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán
dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cắt dòng điện, khả năng chịu điện áp và các
đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng nh vấn đề điều khiển chúng. Trớc hết
ta cần thấy rằng các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung,
đó là:
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


6
* Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua
thì có điện trở tơng đơng rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện tở
tơng đơng rất lớn. Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc bằng tích của
dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giá trị rất nhỏ.
* Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử đợc đặt dới điện
áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngợc, dòng qua phần tử chỉ
có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.
Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn đợc phân loại thành:

* Van không điều khiển, nh điốt,
* Van có điều khiển, trong đó lại phân ra:
- Điều khiển không hoàn toàn, nh tiritsto, triac,
- Điều khiển hoàn toàn, nh bipolar tranzito, MOSFET, IGBT, GTO.
2.2. Chất bán dẫn
Chất bán dẫn là loại vật liệu có điện trở suất giới hạn trong khoảng điện trở suất
của chất cách điện và chất dẫn điện, nó có thể thay đổi theo sự tăng giảm của nhiệt độ.
Khi t
0
tăng thì điện trở suất của chất bán dẫn giảm và ngợc lại.
Loại vật liệu bán dẫn đợc sử dụng chủ yếu trong các phần tử bán dẫn công suất
là Silic (Si). Nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bảng hệ thống tuần
hoàn Mendelep - Có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng.
Khi ta kết hợp nguyên tố Si với một nguyên tố thuộc PNC nhóm V nh P mà lớp
ngoài có 5 điện tử tự do thì 4 điện tử sẽ tham gia vào 4 liên kết với 4 điện tử tự do của
Si và làm xuất hiện 1 điện tử tự do trong cấu trúc mạng tinh thể. Sự xuất hiện của 1
electron tự do này làm tăng tính dẫn điện và điện tử (e) có điện tích âm nên chất này
gọi là bán dẫn loại n (Negative - âm)
Còn nếu kết hợp với Silic một nguyên tố thuộc nhóm III có 3 điện tử thuộc lớp
ngoài thì xuất hiện một lỗ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ hổng này có thể nhận 1
điện tử và tạo nên 1 điện tích dơng và làm tăng tính dẫn điện. Chất đó đợc gọi là bán
dẫn loại P (Positive - dơng).
- ở chất bán dẫn loại n thì hạt mang điện chủ yếu là điện tử, còn đối với bán dẫn loại P
thì lỗ trống lại là hạt mang đợc chủ yếu. Tuỳ theo nồng độ thành phần của các
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


8
Điện trờng tổng hợp làm dễ dàng cho sự di chuyển của điện tích đa số dẫn đến làm

cho lớp tiếp giáp hẹp lại khiến nó trở thành dẫn điện. Khi đó ta nói mặt ghép p - n
đợc phân cực thuận.
+ Ngợc lại nếu đặt vào hai mặt ghép p-n một điện trờng ngoài E trùng với điện
trờng nội tại E
i
thì điện trờng tổng sẽ có chiều trùng với điện trờng nội E
i
làm ngăn
cản sự di chuyển của điện tích đa số dễ dàng cho sự di chuyển của điện tích thiểu số.
Khi đó lớp tiếp giáp tăng lên làm tăng tính cách điện. Ngời ta nói mặt ghép bị phân
cực ngợc.
Đặc tính Vôn-Ampe của Diode:
+ Vùng I là khi đặt vào Anot một điện áp dơng so với Catot khi đó Diode đợc đặt
điện áp thuận nên Diode sẽ thông, có dòng điện chạy qua và tạo nên một điện áp rơi
khoảng 0,7V.
+ Vùng II là khi đặt một điện áp ngợc lên Diode : Diode bị khoá, chỉ có dòng điện rò
cỡ mA có thể chạy qua.
+ Vùng III là khi đặt điện áp ngợc lớn hơn ngỡng (cực đại) mà Diode có thể chịu
đợc khi đó hàng rào điện thế bị chọc thủng. Ngời ta gọi Diode bị đánh thủng và mất
tính dẫn điện một chiều.
U (V)
I (A)
I
II
III
0
Điện áp rơi
Dòng điện rò
Điện áp chọc thủng
Hình 1.3. Đặc tính V - A của Diode

Đặc tính V-A đợc biểu diễn gần điện áp bằng biểu thức
:
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


10
+ Lớp Catôt (K) là bán dẫn loại n rất mỏng và mật độ điện tử rất cao, do đó nếu
dòng điện thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở lớp điều khiển. Lớp Catốt có dòng điện
ngợc lớn nhng chỉ chịu đợc điện áp ngợc thấp.
+ Lớp Điều khiển (G) là loại bán dẫn loại p mỏng và có mật độ trung bình, do
đó hầu hết các điện tử từ lớp catốt có thể tới đợc lớp điều khiển.
+ Lớp chắn là bán dẫn loại n nó là lớp dày nhất và có mật độ điện tử ít nhất, do
đó thyristor có dòng điện ngợc (dòng điện rò) nhỏ và chịu đợc điện áp ngợc lớn.
+ Lớp Anốt là bán dẫn loại p, có chiều dày và mật độ bình thờng. Lớp sát vỏ
anôt có mật độ điện tích cao để giảm điện trở thuận. Lớp Anốt có dòng điện ngợc bé
và chịu gần nh toàn bộ điện áp ngợc đặt lên Thyristor.
Mở, khoá Thyristor:
+ Thyristor phân cực ngợc: là khi đặt vào Thyristor một điện áp một chiều,
Anot nối vào cực (-), Catốt nối vào cực (+) của nguồn điện áp, J
1
và J
3
phân cực ngợc,
J
2
đợc phân cực thuận. Khi đó Thyristor làm việc nh một Diode phân cực ngợc và
chỉ có dòng điện rò khoảng vài mA chạy qua.
+ Thyristor phân cực thuận: điện áp Anot và Catôt là dơng, J

1
và J
3
đợc phân
cực thuận, J
2
bị phân cực ngợc. Gần nh toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J
2
.
Điện trờng nội tại E
i
của J
2
có chiều từ n
1
hớng về p
2
. Điện trờng ngoài tác động
cùng chiều E
i
, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng rộng ra, không có dòng
điện chạy qua Thyristor.
+ Mở Thyristor:
Điều kiện cần trớc tiên để mở Thyristor là Thyristor phải đợc phân cực thuận
(tức là U
AK
> 0), khi đó có hai cách để mở Thyristor:
*Cách thứ nhất là tăng dần điện áp U
AK
cho đến khi đạt đến điện áp thuận lớn

nhất U
th.max
(nh hình vẽ), điện áp trên các lớp chuyển tiếp tăng lên làm các điện tích
thêm năng lợng tạo nên hiện tợng va chạm dây chuyền, Thyristor trở nên dẫn điện.
Cách này ít đợc sử dụng trong thực tế do nguyên nhân mở không mong muốn và
không phải lúc nào cũng có thể tăng đợc điện áp đến giá trị U
thmax
và nhiều trờng
hợp Thyristor tự mở ra dới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu
nhiên, không mong muốn.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


12
*Cách thứ nhất là giảm dòng điện làm việc I xuống dới dòng điện duy trì I
H

(holding current) trong một khoảng thời gian nhất định để lớp điều khiển trở lại trạng
thái bị khoá trớc khi có thể mở lại để đảm bảo khi U
AK
> 0 thì Thyristor không dần
trở lại.
*Cách thứ hai là đặt một điện áp ngợc U
AK
< 0 lên Thyristor, hai mặt ghép J
1

và J
3

bị phân cực ngợc, J
2
lại đợc phân cực thuận. Các điện tử đảo chiều chuyển
động tạo nên dòng điện ngợc chảy từ Catôt về Anot, về cực âm của nguồn điện áp
ngoài.
Thời gian khoá t
off
tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngợc (t
0
) cho đến khi
dòng điện ngợc bằng 0 (t
2
). Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp
thuận lên Thyristor, Thyristor cũng không thể mở. (t
off
cỡ khoảng vài chục às).
- Đặc tính V-A của Thyristor:
Đặc tính V-A của Thyristor gồm 4 đoạn:
Đoạn 1: là trạng thái
Thyristor bị khoá, chỉ có dòng
điện rò chạy qua
Đoạn 2: là giai đoạn phân cực
thuận của J
2
. Trong giai đoạn
này mỗi một lợng tăng nhỏ của
dòng điện ứng với một lợng
giảm lớn của điện áp đặt trên
Thyristor gọi là đoạn điện trở âm.
Đoạn 3: là trạng thái

Thyristor mở. Cả ba mặt ghép đã
trở thành dẫn điện. Dòng điện
chạy qua Thyristor chỉ còn bị hạn
chế bởi điện trở mạch ngoài. Điện áp rơi trên Thyristor rất nhỏ, khoảng 1V.
Đoạn 4: ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dới điện áp ngợc, dòng điện ngợc
rất nhỏ (cỡ vài chục mA). Nếu tăng u > u
ng.max
dòng điện ngợc tăng lên mãnh liệt mặt
ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng.
- Các thông số cơ bản của Thyristor:
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


13
+ Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor( I
v
):
Là giá trị trung bình chạy qua Thyristor trong điều kiện nhiệt độ của cấu trúc
tinh thể Thyristor không vợt quá giới hạn cho phép. Thực tế dòng điện cho phép của
Thyristor trong các điều kiện cụ thể phụ thuộc vào điều kiện làm mát và nhiệt độ môi
trờng.
+ Điện áp ngợc cho phép lớn nhất (U
ng max
):
Là giá trị điện áp lớn nhất đặt ngợc lên Thyristor mà Thyristor không bị đánh
thủng. Trong các ứng dụng phải đảm bảo U
đk
U
ngmax
và phải đảm bảo mật độ dự trữ

nhất định về điện áp. Thờng bằng 1,2
ữ 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp
trên sơ đồ đó.
+ Thời gian phục hồi tính chất khoá của Thyristor t
r
(às):
Thời gian phục hồi là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên A-K của
Thyristor. Sau khi dòng I
A-K
= 0, để sau đó nếu đặt U
AK
> 0 thì Thyristor vẫn khoá, t
r
là
thông số rất quan trọng.
+ Tốc độ tăng điện áp cho phép,
dt
du
(V/às):
Khi tốc độ tăng điện áp đặt vào A-K quá lớn làm cho Thyristor có thể mở ra mà
không cần tín hiệu điều khiển vào cực G. Với các Thyristor tần số làm việc khác nhau
thì có tốc độ tăng điện áp cho phép khác nhau. Với Thyristor tần số thấp,
dt
du
cỡ 50 ữ
200V/
às; với các Thyristor tần số cao
dt
du
cỡ 500 ữ 2000 V/às. Để bảo vệ tốc độ tăng

điện áp quá lớn ngời ta thờng mắc song song van với một điện trở nối tiếp với tụ.
+ Tốc độ tăng dòng cho phép,
dt
di
(A/às):
Nếu
dt
di
lớn dẫn đến phá vỡ cấu trúc tinh thể bán dẫn do nhiệt phát ra lớn.
Với những Thyristor tần số thấp
dt
di
= 50 ữ100A/às, với các Thyristor tần số làm việc
cao
dt
di
= 50 ữ 2000A/às.Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


15
Triac có thể điều khiển mở bằng xung dòng dơng (dòng đi vào cực điều khiển)
hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên, xung dòng điều
khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng chỉ chạy qua triac khi điện áp giữa T
1
và
T
2
phải lớn hơn một giá trị nhất định U

ng
, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dơng. Vì
vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac sử dụng xung điều
khiển âm là tốt hơn cả.
Triac chỉ bị khoá khi I
g
= 0 và điện áp đặt vào hai cực bé hơn U
ng
.

2.5. Phần tử công suất điều khiển hoàn toàn
Van điều khiển hoàn toàn là loại van có thể mở và khoá bằng tín hiệu điều khiển
phát vào cực điều khiển.
a. Transistor công suất, BJT (Bipolar Junction Tranzitor)

p
n
(E)
(C)
Emitter
Colector
n
(B)
Base
C
E
B
npn
n
p

(E)
(C)
Emitter
Colector
p
(B)
Base
C
E
B
pnp
Hình 1.10. Transistor công suất

Transistor là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm ba lớp npn (bóng ngợc) hoặc
pnp (bóng thuận), tạo nên hai tiếp giáp p-n. Transistor có ba cực: Base (B), Colector
(C), Emitter (E) và BJT công suất thờng là loại bóng ngợc.
Transistor có thể làm việc đợc ở hai chế độ:
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


16
+ Chế độ khuếch đại (chế độ tuyến tính ): Transitor là phần tử khuếch đại dòng
điện với dòng vào là I
B
và dòng ra là I
C
ta có : I
C
=

I
B
(

là hệ số khuếch đại). Chế độ
này thờng hay đợc sử dụng trong các mạch điện tử thông thờng.
+ Chế độ đóng cắt : thờng đợc sử dụng trong điện tử công suất. Tức là khi
dòng điều khiển I
B
>

1
I
C
(thờng I
B
= k
bh

1
I
C
, k
bh
= 1,2
ữ
1,5) thì transistor sẽ làm
việc ở chế độ bão hoà và điện áp rơi trên transistor U
CE.bh
= (1

ữ
1,5)V. Khi khoá, dòng
điều khiển I
B
0

I
C
0, U
CE
lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải
nối tiếp với transistor. Transistor đợc coi nh hở mạch.
Đặc tính tĩnh của transistor loại npn :

b. GTO ( Gate Turn- off Thyristor )

GTO là loại Thyristor khoá đợc bằng xung điều khiển
Thyristor thờng là loại van điện tử công suất bán điều khiển hay đợc ứng
dụng trong các sơ đồ chỉnh lu, ở đó việc khoá van đợc thực hiện một cách tự nhiên
dới tác dụng của điện áp lới, và bằng việc điều khiển góc mở van ta có thể điều
chỉnh đợc điện áp chỉnh lu.
Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ nghịch lu độc lập hoặc các bộ biến
đổi xung áp 1 chiều thì các van bán dẫn luôn bị đặt dới điện áp 1 chiều thì điều kiện
để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa. Vì vậy để khoá các van cần phải có các mạch phụ
thực hiện việc khoá cỡng bức. Tuy nhiên mạch phụ trở này gồm 1 tổ hợp các tụ điện,
điện trở , diode gây tổn hao lớn về công suất. Do đó làm giảm hiệu suất của bộ biến
đổi. Để khắc phục nhợc điểm này của Thyristor thờng trong các mạch điện tử công
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn

17
suất ngời ta đã sử dụng loại Thyristor có thể điều khiển khoá (GTO) gọi là van điều
khiển hoàn toàn, chúng ta có thể chủ động mở và khoá bằng tín hiệu điều khiển đa
vào cực điều khiển.
Cấu trúc, ký hiệu :
+
n
A
K
Anode
Cathode
+
p
+
n
+
n
+
p
+
p
+
p
n
p
+
n
+
n
+

n
J
1
J2
Gate
G
K
G
Hình 1.12. Cấu trúc của GTO

Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với thyristor. Trên ký hiệu của GTO
dòng điện đi vào cực điều khiển dùng để mở GTO, còn dòng đi ra khỏi cực điều khiển
dùng để khoá GTO.
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p (anot) đợc bổ sung các lớp n
+
. Dấu (+)
ở bên cạnh thể hiện mật độ các điện tích tơng ứng, các lỗ hoặc điện tử, đợc làm giàu
thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này.
Cực điều khiển vẫn đợc nối vào lớp P thứ ba nhng đợc chia nhỏ ra và phân bố đều
so với lớp n
+
của Catốt.
Khi I
g
= 0, nếu U
AK
> 0 thì J
1
, J
3

đợc phân cực thuận và J
2
bị phân cực ngợc
nh Thyristor. Tuy nhiên nếu U
AK
< 0 thì tiép giáp P
+
- n ở lớp tiếp giáp J
1
sẽ bị đánh
thủng ngay ở điện áp rất thấp. Điều đó có nghĩa GTO không thể chịu đợc điện áp
ngợc. Vì vậy ngời ta thờng nối tiếp GTO với một Diode để chống điện áp ngợc.
Cũng giống nh điều khiển mở Thyristor, GTO cũng đợc điều khiển mở bằng
cách cho dòng vào cực điều khiển. Tuy nhiên điểm khác nhau là dòng điều khiển duy
trì (I
H
) ở GTO cao hơn Thyristor thờng. Do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn
hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GT0 kịp vợt xa giá trị dòng duy
trì.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


18
Khoá GT0 bằng cách lấy ra một xung dòng từ cực điều khiển. Khi đó dòng Anot
sẽ bị giảm cho đến khi về không, dòng điều khiển phải đợc duy trì một thời gian ngắn
để GTO phục hồi tính chất khoá.
c. Transistor trờng, Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect.) (Transistor
mos công suất)
Mosfet đợc chế tạo theo công nghệ Mos (Metal - Oxide - Semiconductor)
thờng gọi là Transistor Mos công suất, đợc sử dụng nh những chuyển mạch điện tử

có công suất lớn. Khác với transistor lỡng cực (BJT) đợc điều khiển bằng dòng bazơ,
transistor Mos đợc điều khiển bằng điện áp đặt lên cực cổng.
Hình vẽ là ký hiệu và họ đặc tính ra của transistor Mos:
UDS (V)
I
D (A)
0
Hình 1.13. Đặc tính ra của mosfet
3V
1,5V
6V
7,5V
9V
UGS =

Transistor MOS có ba cực:
D - Drain, cực máng là cực đón các hạt mang điện (điện tử và lỗ trống) từ các
thanh bán dẫn chảy ra.
S - Source, cực nguồn: Các hạt mang điện từ đây chảy ra các thanh bán dẫn.
G - Gate, cực cổng, cực điều khiển: đợc cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn
còn lại bởi lớp đệm môi cực mỏng nhng có độ cách điện cực lớn (SiO
2
) đioxit-Silic.
+ Khi điện áp giữa cực điều khiển và cực nguồn U
GS


0 Transistor MOS vẫn
bị khoá ở điện áp máng - nguồn (U
DS

) dơng tới vài trăm vôn.
+ Khi U
GS
> 3V transistor MOS trở nên dẫn dòng tải: thông thờng ngời ta
điều khiển MOSFet bằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm điện áp rơi trên D và
S.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


19
+ Transistor MOS có đặc điểm tác động rất nhanh, có thể đóng, mở với tần số
hơn 100kHZ. Khi Transistor MOS dẫn dòng thì điện trở của nó khoảng 0,1

đối với
MOS - 1000V, và khoảng 1
đối với MOS - 500V.
d.IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)-Transistor có cực điều khiển cách ly:
IGBT là loại van công suất kết hợp công nghệ MOS Fet và Bipolar Transistor để
đợc đặc tính điều khiển của MOS Fet (đóng cắt nhanh) và đặc tính ra của Bipolar
Transistor (có khả năng chịu dòng lớn) với những tính năng đặc biệt của công nghệ
IGBT mà hiện nay trong hầu hết các bộ năng lợng có công suất lớn đều sử dụng van
bán dẫn IGBT điều khiẻn hoàn toàn.
Về mặt điều khiển, IGBT gần nh giống hoàn toàn MOS Fet, nghĩa là đợc điều
khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ.
Ký hiệu và đặc tính ra:


Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống MOS Fet, điểm khác nhau là có thêm lớp P
nối với Colector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitter (tơng tự cực gốc) với
colector (tơng tự với cực máng), không phải là n-n nh ở MOS Fet. Có thể coi IGBT

tơng đơng với một transistor p-n-p với dòng base đợc điều khiển bởi một MOSFet.
Dới tác dụng của điện áp điều khiển U
GE
> 0, kênh dẫn với các hạt mang điện
là các điện tử đợc hình thành, giống nh ở cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển
về phía colector vợt qua lớp tiếp giáp n = p nh ở cấu trúc giữa base và colector ở
transistor thờng, tạo nên dòng colector.
IGBT là phân tử điều khiển bằng điện áp, giống nh MOSFET, nên yêu cầu điện
áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emitter để xác định chế độ khoá, mở.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


20
d. MCT (Mos Controlled Thyristor)
MCT có thể coi nh một Thyristor kết hợp với hai bóng MOSFET. Bằng cách
này đã đạt đợc khả năng điều khiển nhanh chóng đồng thời với công suất điều khiển
nhỏ. Tần số làm việc của MCT đạt tới 40kHZ. MCT có nhiều u điểm nh IGBT, song
MCT có sụt áp khi dẫn nhỏ hơn (~ 1,1V)
Nó là một nhánh mới về phân tử công
suất đang đợc tiến hành nghiên cứu để đợc vào ứng dụng.
2.6. So sánh tơng đối giữa các phần tử bán dẫn công suất
Bảng giới hạn về dải làm việc lớn nhất của các van bán dẫn công suất:
Loại van Điện áp (max) Dòng điện (max) Tần số (max)
Thyristor 5kv 3000A <1kHZ
GTO 3kv 2000A 1kHZ
BJT 1500v 750A 10kHZ
MOSFET 1kv 200A <1MHZ
IGBT 2000v 2000A 100kHZ
MCT 3kv 3000A 100kHZ

Nếu lý tởng các phần tử điện tử công suất không có giới hạn về điều kiện làm
việc. Tuy nhiên thực tế do vật liệu và công nghệ chế tạo mà mỗi loại van khác nhau có
các điều kiện làm việc khác nhau. Tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể mà ta sử dụng
các loại van phù hợp.
Từ bảng giới hạn của các van ta thấy Thyristor và GTO là những phần tử làm
việc ở dải tần số thấp nhất dới 1kHz, Tuy nhiên chúng đợc chế tạo để làm việc với
điện áp và dòng điện lớn. Thyristor thờng đợc ứng dụng trong các mạch chỉnh lu,
trong đó các van sẽ chuyển mạch tự nhiên dới tác dụng của điện áp lới xoay chiều
tần số 50 - 60 Hz. GTO là bớc cải tiến từ Thyristor, là loại van điều khiển hoàn toàn
có khả năng làm việc ở tần số cao hơn Thyristor. GTO đợc ứng dụng trong các bộ
biến tần với công suất lớn đến cực lớn hàng MW.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


21
MosFet là loại van bán dẫn có tần số làm việc cao nhất tới 1MHz, tuy nhiên do
điện trở thuận khi dẫn dòng lớn nên MosFet chỉ phù hợp với dòng điện cỡ 200A trở
xuống và điện áp dới 1kV.
Các BJT có u thế hơn MosFet về dòng điện làm việc và điện áp cao hơn, tới
750A và 1500V.Tuy nhiên BJT đang dần bị thay thế bởi IGBT. IGBT có khả năng
đóng cắt dòng tới 2000A và điện áp tới 2000V, tần số làm việc lên tới 100kHz . IGBT
là sự kết hợp các u thế của Mosfet và BJT.
MCT là phần tử bán dẫn loại mới, đang đợc nghiên cứu. Trong tơng lai phần
tử này có thể đợc chế tạo để chịu đợc dòng lên tới 3000A, điện áp 3000V và có
thể chịu đợc tần số lên tới 100kHz

III. ứng dụng
Mỗi phần tử bán dẫn công suất có tác dụng ứng dụng đợc điện tử công suất
nh một khoá đóng cắt đơn lẻ. Vì vậy để có thể cho các hệ truyền động thì cần phải
kết hợp các phần tử bán dẫn công suất thành các thiết bị lớn mà ngời ta gọi là thiết bị

điện tử công suất. Tuỳ thuộc vào các phơng pháp kết hợp và tính năng của các phần
tử bán dẫn công suất mà ta đợc các thiết bị công suất có chức năng, giới hạn khác
nhau nh các bộ: Nghịch lu, Chỉnh lu, Băm xung, Biến tần
Sau đây là các bộ bán dẫn công suất lớn điển hình hay đợc ứng dụng trong các
hệ truyền động điện.
3.1. Mạch chỉnh lu:
3.1.1. Giới thiệu chung về mạch chỉnh lu:
Mạch chỉnh lu hiện nay đợc dùng rất phổ biến trong các ứng dụng khoa học
kỹ thuật. Chức năng của nó là biến đổi năng lợng dòng điện xoay chiều thành năng
lợng dòng điện một chiều cung cấp cho các loại tải một chiều.
Sơ đồ cấu trúc của một mạch chỉnh lu nh hình vẽ:

Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


23
+ Công suất đầu ra chỉnh lu: P
d
= U
d
. I
d
.
+ Tham số lựa chọn van:
I
tbv
là giá trị thiết bị của dòng điện chạy qua van.
U
ngmax

là điện áp ngợc cực đại mà van chịu đợc khi làm việc
T
r
: là thời gian phục hồi tính chất khoá của van
+ Công suất biến áp:

2
SS
S
21
ba
+
=
(4)
Trong đó:
S
1
= U
1
I
1

S
2
=

=
n
1i
2i2i

.Iu : U
1
, U
2
, I
1
, I
2
là giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía
sơ cấp và thứ cấp ba
m: số pha bên thứ cấp ba.
+ Hệ số đập mạch k
đm
thể hiện chất lợng điện áp một chiều sau chỉnh lu.
k
đm
=
0
1m
U
U
Trong đó: U
1m
- Biên độ sóng bài bậc một của điện áp chỉnh lu.
U
0
: thành phần cơ bản bằng giá trị thiết bị điện áp chỉnh lu (U
d
)
- Phân biệt chỉnh lu không điều khiển, và chỉnh lu điều khiển:

+ Chỉnh lu không điều khiển là loại chỉnh lu dùng toàn diode, điện áp ra là
một chiều cố định U
d
= k
sđ
U
2
.
+ Chỉnh lu có điều khiển là loại chỉnh lu mà trong sơ đồ có sử dụng các loại
van bán dẫn có thể điều khiển Thyristor (đôi khi transistor) bằng cách thay đổi góc mở

của van mà ngời ta có thể thay đổi đợc điện áp một chiều
+ Đối với chỉnh lu có điều khiển thì điều ngời ta quan tâm đầu tiên là góc mở

. Điểm khác biệt của sơ đồ dùng van bán dẫn điều khiển đợc so với sơ đồ không
điều khiển đợc là ở chỗ ngời ta hoàn toàn có thể qui định đợc thời điểm mở của
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn


24
van bán dẫn trong khi diode lại không thể qui định. Bởi vì để mở đợc Thyristor cần
có đồng thời hai điều kiện:
* Điều kiện thứ nhất là: điện áp trên van phải dơng (U
AK
>0), điều kiện này
hoàn toàn nh diode
*Điều kiện thứ hai là có dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển
của nó, điều khiển này ở diode không có. Do đó sử dụng điều kiện thứ hai ta có thể
khống chế đợc thời điểm mở của Thyristor theo ý muốn. Và để thể hiện trong mạch
điều này, ngời ta sử dụng khả năng góc điều khiển

(góc mở): Góc điều khiển

là
góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm thyristor đợc phát xung vào cực điều
khiển để mở van. Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó nếu van là diode thì nó
bắt đầu dẫn.
3.1.2. Các mạch chỉnh lu cơ bản

3.1.2.1. Chỉnh lu một pha nửa chu kỳ
- Tải thuần trở:
+ Hình 1.16 là sơ đồ chỉnh lu không điều khiển dùng diot:
Trong khoảng thời gian từ 0 <

<

, điện áp u
2
> 0 u
AK
của điot > 0
Điot D thông cho dòng i
r
chảy qua. Khi đó u
t
= u
2
;
;
R

u
R
u
i
t
R
t
t
t
==
điện áp rơi trên Diot u
D
= 0.
Trong khoảng thời gian từ

<

< 2

, điện áp u
2
< 0 u
AK
< 0 Diot D
không thông, không cho dòng tải chạy qua: u
t
= 0, i
t
= 0, u
D

= u
2
< 0. Nh vậy giá trị
trung bình của điện áp chỉnh lu:
()
222
0
2
0
dd
0,45UU
2
SininU2
2
1
du
2
1
U ====



(5)


Giá trị trung bình của dòng tải:
R
U
0,45
R

U
I
2d
d
== (6)