Chế tạo nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới

Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp

Đại học quốc gia hà nội
Trờng đại học công nghệ







Giang Cao Sơn






Chế tạo nguồn xung lỡng cực cho thí
nghiệm công nghệ mạ mới




Khoá luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy


Ngành: Điện tử-Viễn thông
Cán bộ hớng dẫn: TS. Nguyễn Việt Dũng

Hà nội-2005

Giang Cao Sơn K46ĐC
1
Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp



TểM TT NI DUNG KHO LUN

Nghiờn cu gii phỏp k thut v la chn phng ỏn thit k
ch to thit b: Ngun xung lng cc cho thớ nghim cụng ngh m mi
Cỏc cụng vic chớnh c thc hin l:
1. Thit k b phỏt xung vuụng cú tn s v rng thay i c
- Kho sỏt mt s nguyờn lý to xung
- Tỡm hiu IC LM3524 v thit k mỏy phỏt xung dựng IC ny
2. Thit k tng m cụng sut v tng cụng su
t nhm to xung cụng xut lng cc
li ra
- Kho sỏt cỏc linh kin úng m cho ngun mt chiu: Nh Tranzito, Tranzito
MOSFET, GTO, IGBT.
- La chn phng ỏn dựng MOSFET lm cụng sut.
3. Thit k ngun n ỏp mt chiu in ỏp ra bin i c t 0V n
U

ra
max
- Kho sỏt nguyờn tc n ỏp c in v n ỏp xung.
- Tỡm hiu IC n ỏp LM317 v thit k ngun n ỏp da trờn nú.
4. Nhng vic b tr cn thit cho vic ch to hon chnh mt thit b thớ nghim
- Cỏc mch o, ch th in ỏp, dũng, tn s. c bit cú tớnh n phn c khớ
v mỏy, lp rỏp v tin li cho ngi s d
ng.
5. Kt qu
- V thit b v cỏc ng dng.










Giang Cao Sơn K46ĐC
2
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


MỤC LỤC
Xuất xứ đề tài
1
Chương 1: Tìm hiểu nhiệm vụ và lựa chọn phương án thiết kế

1.1. Tìm hiểu nhiệm vụ
3
1.1.1. Sơ lược kỹ thuật mạ xung
3
1.1.2. Sơ đồ khối tổng quát 4
1.1.2.1. Phân tích sơ đồ khối 4
1.2. Khảo sát các linh kiện điện tử
5
1.2.1. TIRISTO khoá được bằng cực điều khiển, GTO (Gate Turn Off
Tiristo)
5
1.2.1.1. Cấu trúc bán dẫn 6
1.2.1.2. Đặc tính đóng c
ắt 6
1.2.2. Tranzito lưỡng cực công suất 7
1.2.2.1. Cấu trúc bán dẫn 7
1.2.2.2. Đặc tính đóng cắt 8
1.2.3. Tranzito trường MOSFET 10
1.2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 10
1.2.3.2. Đặc tính tĩnh 11
1.2.3.3. Đặc tính đóng cắt 12

Giang Cao S¬n K46§C
3
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


1.2.4. Tranzito có cực điều khiển cách ly, IGBT (Insulated Gate Bibolar
Tranzito)

13
1.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 13
1.2.4.2. Đặc tính đóng cắt 14
1.2.4.3. Yêu cầu với tín hiệu điều khiển 15
1.2.5. So sánh tương đối các phần tử bán dẫn công suất 16
1.2.6. Vấn đề toả nhiệt cho linh kiện công suất 17
1.2.6.1. Mô hình truyền nhiệt 18
1.2.6.2. Tính toán toả nhiệt 20
1.2.7. Vấn đề chung về dao động và khảo sát IC LM3524 21
1.2.7.1. Các vấn đề chung về dao động 21
1.2.7.2. Một số m
ạch tạo xung vuông 22
1.2.7.3. Máy phát xung với tần số và độ rộng có thể thay đổi được, sử
dụng IC LM3524
24
1.2.8. Khảo sát nguyên tắc ổn áp cổ điển và ổn áp xung 27
1.2.8.1. Ổn định điện áp 27
1.2.8.2. Ổn áp tham số dùng điôt Zener 28
1.2.8.3. Ổn áp kiểu bù dùng bộ khuyếch đại có điều khiển 29
1.2.8.4. Ổn áp xung 31

Giang Cao S¬n K46§C
4
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


1.2.9. Lựa chọn phương án thiết kế 32
Chương 2: Chế tạo nguồn xung lưỡng cực

2.1. Thiết kế và phân tích sơ đồ khối chi tiết

34
2.1.1. Sơ đồ khối chi tiết 34
2.1.2. Phân tích nguyên lý hoạt động sơ đồ khối chi tiết 34
2.2. Thiết kế và phân tích nguyên tắc hoạt động sơ đồ nguyên lý
36
2.2.1. Sơ đồ nguyên lý 36
2.2.2. Phân tích nguyên tắc hoạt động sơ đồ nguyên lý 36
2.2.2.1. Phân tích nguyên tắc hoạt động phầ
n tạo xung điều khiển 36
2.2.2.2. Phân tích nguyên tắc hoạt động phần công suất 44
2.2.2.3. Phân tích nguyên lý hoạt động phần nguồn ổn áp công suất 48
2.2.2.4. Nguồn ổn áp nuôi cho mạch điều khiển 49
2.3. Tính toán toả nhiệt cho các linh kiện công suất
49
2.4. Kết cấu thiết bị
51
2.4.1. Lựa chọn các phụ kiện trên mặt máy 51
2.4.2. Thiết kế vỏ thiết bị và lắp ráp 51
Kết luận và đánh giá kết quả
đạt được của khoá luận
52
Tài liệu tham khảo
53

Giang Cao S¬n K46§C
5
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


XUẤT XỨ ĐỀ TÀI

Công nghệ mạ điện là công nghệ đã được sử dụng rộng rãi từ lâu trên thế giới
và Việt Nam để phục vụ cho những mục đích khác nhau của công nghiệp và đời sống.
Trong hai thập kỷ gần đây, ở các nước công nghiệp phát triển người ta đã tiến hành
nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mạ tiên tiến đó là công nghệ mạ xung vào thực tế
sản xuất, trong
đó công nghệ tạo màng và lớp phủ có cấu trúc nanô bằng kỹ thuật xung
cũng không nằm ngoài trào lưu này nhờ vào tính ưu việt của kỹ thuật mạ xung.
1.Ý nghĩa của kỹ thuật mạ xung
*) Tạo ra các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn cao
Các lớp phủ kim loại chế tạo bằng kỹ thuật mạ xung có thể nhận được cấu trúc
Submicro và nanô, lớp mạ mịn, độ r
ỗ nhỏ, độ đồng đều của lớp mạ hoàn hảo, độ cứng
tăng, chiều dầy lớp phủ giảm và việc lựa chọn thành phần hợp kim dễ dàng nhờ vào
sự thay đổi các thông số của kỹ thuật xung [5].
*) Sử dụng vào mục đích trang trí
Các lớp phủ vàng, bạc và hợp kim…. Có độ bóng cao mà không cần sử dụng
các chất tạo bóng, đồng đều, mỏng, rất thích h
ợp cho mục đích trang trí [6].
*) Tạo các màng có cấu trúc nanô
Đây là một công nghệ rất mạnh để chế tạo những màng mỏng hợp kim có tính
chất từ như NiFe, CoFeNi, NiFeB… sử dụng trong các nghành công nghiệp khác nhau
và trong đời sống [4].
*) Sử dụng trong công nghiệp điện tử
Kỹ thuật mạ xung được sử dụng từ lâu trong nghành công nghiệp điện tử như
mạ mạch in, tiếp điểm…chúng có thể
mạ trên lỗ và các địa hình phức tạp một cách dễ
dàng. Ngày nay với tính ưu việt của lớp mạ có cấu trúc nanô, kỹ thuật này đang được
sử dụng rất mạnh trong nghành MEMS(Microelectro Mechanic System) cũng như chế
tạo sensor [7].
Trong thời gian gần đây, Phòng ăn mòn và bảo vệ vật liệu – Viện khoa học vật

liệu- đã nghiên cứu kỹ thuật mạ xung. Để tạo ra lớp mạ có c
ấu trúc Submicro và nanô
là rất quan trọng và cần thiết trong khi ở Việt Nam hầu như chưa có cơ sở nào nghiên
cứu và sử dụng công nghệ này. Vì vậy phải có nhu cầu tất yếu là chế tạo nguồn xung
lưỡng cực phục vụ cho kỹ thuật mạ mới này. Việc chế tạo “Nguồn xung lưỡng cực”
không nằm ngoài mục đích phục vụ cho đề tài nghiên cứu kỹ thuật mạ
xung của Phòng
thí nghiệm ăn mòn và bảo vệ vật liệu thuộc Viện khoa học vật liệu.

Giang Cao S¬n K46§C
6
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


2.Nhiệm vụ chế tạo “ Nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới”
Với lý do phục vụ cho mục đích thí nghiệm, cho nên cần chế tạo nguồn với
xung lối ra có dải làm việc rộng, người sử dụng có nhiều sự lựa chọn các thông số
khác nhau, phục vụ cho yêu cầu thí nghiệm.
- Tần số xung ra 1Hz
1500Hz
÷
- Xung lối ra là xung vuông lưỡng cực có thể điều chỉnh được độ rộng
- Thời gian nghỉ sau một cặp xung lưỡng cực là 1
÷
512 lần của chu kỳ
- Biên độ từ 0
15V
÷
- Dòng cực đại 15A
- Thiết bị này phải được kết cấu vững chắc và tiện lợi khi thí nghiệm

Giang Cao S¬n K46§C
7
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


CHƯƠNG 1
TÌM HIỂU NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1.TÌM HIỂU NHIỆM VỤ
1.1.1. Sơ lược kỹ thuật mạ xung
Kỹ thuật mạ thông thường được dùng từ nhiều thập kỷ trước đây và cho đến
ngày nay vẫn còn sử dụng đó là kỹ thuật mạ sử dụng dòng điện một chiều tức là dòng
điện liên tục.
Kỹ thuật mạ xung là kỹ thuật chế tạo lớp phủ bằng cách dùng dòng điện không
liên tục, nó cho phép sử d

ụng mật độ dòng mạ cao hơn rất nhiều do mạ xung có tốc độ
tạo mầm cao và cho phép cải thiện các đặc tính của kim loại hay hợp kim so với lớp
mạ truyền thống (dòng một chiều). Dạng dòng xung được sử dụng nhiều nhất là xung
vuông. Chế độ mạ xung đơn giản nhất được biểu diễn trên hình 1.
Quá trình khuếch tán

V
0
t
Nạp lớp kép
Quá trình Faraday
P
h
ó
n
g

đ
i
ệ
n

l
ớ
p

k
é
p

Chế độ này được xác định bởi các thông số đ
iện:
- T
+
: thời gian xung.
- T nghỉ: thời gian nghỉ
- T: chu kỳ
- Jc: mật độ dòng xung
- Jm: mật độ dòng trung bình
Các thông số này ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái tinh thể của lớp mạ. Trên
hình 2 biểu diễn dạng lý thuyết của sự thay đổi thế theo thời gian tại điện cực làm việc.
Đường cong này thể hiện những hiện tượng điện hoá diễn ra tại catot.
T
J
J
C
T
+
T
nghỉ
J
M

0
t
Hình 2. Đường cong thế tại catot
Hình 1. Chế độ xung đơn

Giang Cao S¬n K46§C
8
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


- Tại thời điểm t=0, thế tăng theo chiều thẳng đứng, thể hiện điện trở omic do
trở khánh dung dịch.
- Một phần dòng điện một chiều J
DC
dùng để nạp cho điện dung lớp kép và
tiến tới hệ cân bằng.
- Một phần khác là dòng Faraday J
F
liên quan đến các phản ứng, đó là quá
trình chuyển điện tích. Lúc đó J
C
= J
DC
+J
F
.
- Thời gian xung để có thể tạo lớp mạ phải lớn hơn thời gian nạp lớn kép.
Vùng dòng Faraday là vùng lý tưởng để mạ.
Ở vùng cuối của xung xuất hiện sụt thế omic và tiếp theo là phóng điện của lớp
kép.

1.1.2. Sơ đồ khối tổng quát
Trên cơ sở nhiệm vụ của đề tài ta thiết kế sơ đồ khối tổng quát như sau:








(4)
Công suất
Đk điện áp V
-
Đk điện áp V
+
V
+
V
-
Đk tần số
(1)
Máy phát
xung vuông
(2)
Tạo thời gian
nghỉ
(3)
Đệm công
suất

Đk độ rộng
Điều khiển thời gian nghỉ
Tải
(Bể mạ)
(5)
Nguồn ổn áp





Hình 3. Sơ đồ khối tổng quát

1.1.2.1. Phân tích sơ đồ khối (hình 3)
- Khối 1: Là máy phát xung vuông với 2 đường vào để điều khiển tần số và độ
rộng xung nhằm tạo ra lối ra xung vuông có tần số và độ rộng điều khiển được.

Giang Cao S¬n K46§C
9
Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp


- Khi 2: L mch to thi gian ngh nhm to ra c thi gian ngh theo yờu cu
ca ngun xung. Thi gian ngh cú th c la chn T*1,T*2,T*4,T*8T*512 ( T l
chu k ca xung li ra mỏy phỏt xung) bng chuyn mch iu khin h s chia tn.
- Khi 3: L tng m cụng sut li ra vi mc ớch m cụng sut li ra cho
mỏy phỏt xung vuụng v nhn tớn hiu iu khin khong th
i gian ngh t tng to
thi gian ngh a lờn.
- Khi 4: L tng cụng sut li ra t cụng sut xung theo yờu cu ca

nhim v ch to
- Khi 5: L ngun n ỏp to ra 2 in ỏp V
+
v V
-
cú th iu chnh c biờn
, cung cp ngun lc cho khi cụng sut. Li ra ca tng cụng sut chớnh l li ra
ca Ngun xung lng cc, cú th l ti hay c th hn ú l in cc anot v catot
ca b m.
1.2. KHO ST CC LINH KIN IN T
Do yờu cu v nhim v ca ti v theo s khi tng quỏt m ta
ó trỡnh
by cỏc phn trc. Nờn mc ny ta tỡm hiu cỏc linh kin in t, c bit l cỏc
linh kin cụng sut cú th úng m c dũng in mt chiu.
1.2.1. TIRISTO khoỏ c bng cc iu khin, GTO (Gate Turn Of TIRISTO)
TIRISTO l linh kin chnh lu cú iu khin, c s dng rng rói trong cỏc
s chnh lu hoc dựng ct pha dũng in xoay chiu t cụng xu
t nh vi W n
cụng sut ln vi trm MW. Tuy nhiờn vi cỏc ng dng trong cỏc b bin i xung
ỏp mt chiu hoc cỏc b nghch lu m cỏc phn t úng,m bỏn dn luụn t di
in ỏp mt chiu thỡ TIRISTO khụng c s dng rng rói vỡ nú khụng th khoỏ li
c sau khi ó cú xung kớch m. khoỏ c TIRISTO thỡ thng dựng n cỏc
mch chuyn mch cng bc phc tp, gõy t
n hao v cụng sut, tn kộm v gim
hiu sut.
Vo u nhng nm 80 thỡ GTO ra i. Nh tờn gi ca nú, ngha l khoỏ li
c bng cc iu khin. GTO cú kh nng úng ct dũng in rt ln, chu c
in ỏp cao, l van iu khin hon ton. GTO ó phỏt huy u im c bn ca phn
t bỏn dn ú l kh n
ng úng ct dũng in ln nhng li c iu khin bi tớn

hiu cụng sut nh.

Giang Cao Sơn K46ĐC
10
Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp


1.2.1.1. Cu trỳc bỏn dn
GTO cú cu trỳc bỏn dn v ký hiu nh hỡnh 4a,b.









a) cu trỳc bỏn dn
K
A
G
b) ký hiu

Hỡnh 4
Trong cu trỳc bỏn dn ca GTO lp p, anot c b xung cỏc lp n
+
. Du
cng ch ra mt cỏc in tớch tng ng, cỏc l hoc in t, c lm giu thờm
vi mc ớch lm gim in tr khi dn ca cỏc vựng ny. Cc iu khin ni vo lp

p th 3 c chia nh ra v phõn b u so vi lp n
+
ca catot.
1.2.1.2. c tớnh úng ct
Khi cha cú dũng iu khin, nu anot cú in ỏp dng so vi catot thỡ ton
b in ỏp ri trờn tip giỏp J
2
gia. Tuy nhiờn nu catot cú in ỏp dng hn so
vi anot thỡ tip giỏp p
+
- n sỏt anot s b ỏnh thng ngay in ỏp rt thp, ngha l
GTO khụng chu c in ỏp ngc.
Mụ hỡnh iu khin úng, m c biu din trờn hỡnh 5b.
GTO c iu khin m bng cỏch cp dũng vo cc iu khin, dũng iu
khin m cú dng nh hỡnh v 5a. Dũng iu khin phi duy trỡ trong thi gian l
n
dũng qua GTO kp vt xa giỏ tr dũng duy trỡ.
khoỏ GTO, mt xung dũng phi c ly ra t cc iu khin. Xung
dũng khoỏ phi cú biờn rt ln khong 20-25% biờn dũng anot-catot. Mt
yờu cu quan trng na l xung dũng iu khin phi cú dc sn xung cao
khụng ln hn 1
à
s

Giang Cao Sơn K46ĐC
11
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


.

Hình 5. Dạng Xung dòng và nguyên lý điều khiển








1.2.2. Tranzito lưỡng cực công suất
1.2.2.1. Cấu trúc bán dẫn
Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p- n-p hoặc n- p-n,
tạo nên hai lớp tiếp giáp p-n. Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction
Tranzito (BJT) vì dòng điện chạy trong chúng bao gồm cả hai loại điện tích âm (điện
tử), dương (lỗ trống). Cấu trúc tiêu biểu của một Tranzito công suất được biểu diễn
như hình vẽ
6. Trong đó lớp bán dẫn p-n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-
C và do đó của C-E.







Hình 6. Cấu trúc bán dẫn
Trong chế độ tuyến tính, hay còn gọi là phần tử khuyếch đại dòng điện với
dòng colector I

C
bằng
β
lần dòng bazơ, trong đó
β
là hệ số khuyếch đại dòng điện
I
c
=
β
I
B

Tuy nhiên trong điện tử công suất thì
β
thường là nhỏ (khoảng hàng chục
lần). Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện:

Giang Cao S¬n K46§C
12
Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp


I
B
>

C
I
hay I

B
=K
bh
.

C
I

Trong ú K
bh
bng 1,2-1,5 gi l h s bóo ho. Khi ú Tranzito s trong ch
bóo ho vi in ỏp gia colector v emitor rt nh c 1
ữ
1.5V, gi l dũng bóo
ho (U
CE.bh
). Khi khoỏ dũng iu khin I
B
=0, lỳc ú dũng colector gn bng 0.
Tn hao cụng sut trờn Tranzito bng tớch ca dũng in colector vi in ỏp
ri trờn colector-emitor, s cú giỏ tr rt nh trong ch khoỏ.
Trong cu trỳc bỏn dn ca Tranzito, ch khoỏ nu c hai tip giỏp B-E
v B-C u c phõn cc ngc. BJT trong ch tuyn tớnh, nu tip giỏp B-E
phõn cc thun v B-C phõn cc ngc. Trong ch bóo ho c hai tip giỏp B-E v
B-C phõn cc thu
n.
C ch to ra dũng in qua Tranzito l s thõm nhp ca cỏc in tớch khỏc
du vo vựng baz p, cỏc in t, vỡ vy BJT cũn c gi l cu trỳc vi cỏc ht
mang in phi c bn.
1.2.2.2. c tớnh úng ct ca Tranzito

Ch úng ct ca Tranzito ph thuc ch yu vo cỏc t ký sinh gia tip
giỏp B-E v B-C, C
BE
v C
BC
. Quỏ trỡnh úng ngt ca mt Tranzito qua s khoỏ
trờn hỡnh 7a. Trong ú Tranzito úng ngt mt ti thun tr R
t
di dng in ỏp + U
n

iu khin bi tớn hiu in ỏp t U
B2
n +U
B1
v ngc li. Dng súng, dũng in
v in ỏp cho trờn hỡnh 7b.
*) Quỏ trỡnh m
Theo th hỡnh 7b, trong khong thi gian (1) BJT trong ch khoỏ.
Trong khong thi gian (2), t u vo cú giỏ tr tng ng C
in
=C
BE
+ C
BC
c
np t in ỏp U
B2
n +U
B1

. T C
in
ch np n giỏ tr ngng U* ca tip giỏp U
BE

c 0,6-0,7V. Dũng in v in ỏp trờn BJT ch bt u thay i khi U
BE
vt quỏ giỏ
tr 0 u giai on 3. Khong thi gian 2 l tr khi m, t
d(on)
ca BJT.
Trong khong (4) in ỏp U
CE
tip tc gim n giỏ tr in ỏp bóo ho cui cựng.
Trong giai on (5), BJT hon ton lm vic trong ch bóo ho.
*) Quỏ trỡnh khoỏ BJT
Khi in ỏp iu khin thay i t U
B1
n -U
B2
u giai on (6) in tớch
tớch lu trong cỏc lp bỏn dn khụng th thay i ngay lp tc c. Dũng I
B
tc thi
s cú giỏ tr:

Giang Cao Sơn K46ĐC
13
Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp

I
B2
=
B
B
R
UU
*
2


Khong (6) gi l khong tr khi khoỏ, t
d(off)
.
Trong khong (7) dũng colector I
C
bt u gim v bng 0, in ỏp U
CE
s
tng ti giỏ tr +U
n
. Trong khong thi gian ny BJT lm vic trong ch tuyn tớnh,
dũng I
C
t l vi dũng baz. T C
BC
bt u np ti giỏ tr in ỏp ngi, bng U
n
. n

cui khong (7) thỡ Tranzito mi khoỏ hon ton. Trong khong (8) t C
BE
tip tc np
ti in ỏp ngc, -U
B2
. Tranzito ch khoỏ hon ton trong khong (9).



Hỡnh 7
b) dng súng dũng in, in ỏp









a) S

*) Dng ti u ca dũng iu khin khoỏ BJT
Tranzitor cú th khúa li bng cỏch cho in ỏp gia B-E bng 0. Tuy nhiờn cú
th thy rng khi ú thi gian khoỏ s b kộo di ỏng k. Khi dũng I
B2
=0, ton b
in tớch tớch lu trong cu trỳc bỏn dn ca Tranzito s ch b suy gim nh qua trỡnh
t trung ho sau mt thi gian nht nh. Cú th rỳt ngn thi gian m, khoỏ bng cỏch
cng bc quỏ trỡnh di chuyn in tớch nh dng dũng iu khin nh hỡnh 8.

Giang Cao Sơn K46ĐC
14
Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp



-I
B2
I
B2
K
bh
.I
C
i
B(t)
t









Hỡnh 8. Dng xung dũng iu khin

thi im m, dũng I

B1
cú giỏ tr ln hn nhiu mc cn thit bóo ho
BJT trong ch dn, I
B(0n)
= K
BH
.I
c
. Nh vy thi gian tr khi m t
d(on)
va thi gian
m t
r(on)
(khong 3 trờn th hinh 7b) c rỳt ngn.
Dũng khoỏ I
B2
cng cn cú biờn ln rỳt ngn thi gian tr khi khoỏ t
d(off)

v thi gian khoỏ t
d(off)
(khong 7 trờn th hỡnh 7b). Tuy nhiờn dũng I
B
cng lm
núng tip giỏp trong BJT, cho nờn giỏ tr biờn cng phi c hn ch phự hp theo
cỏc giỏ tr gii hn cho trong cỏc c tớnh k thun ca nh sn xut.
1.2.3. Tranzito MOSFET
1.2.3.1. Cu to v nguyờn lý hot ng
Khỏc vi cu trỳc ca Tranzito BJT, MOSFET cú cu trỳc cho phộp iu
khin bng in ỏp vi dũng iu khin cc nh

Hỡnh 9 th hin cu trỳc bỏn dn v ký hiu ca MOSFET kờnh dn ki
u n.
Hỡnh 9. Cu trỳc bỏn dn v ký hiu








Giang Cao Sơn K46ĐC
15
Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp


Trong ú G l cc iu khin c cỏch ly hon ton vi cu trỳc bỏn dn cũn
li bi lp in mụi rt mng nhng cú cỏch in rt ln ioxit silic (SiO
2
). Hai
cc cũn li l cc gc S v cc mỏng D. Nu kờnh dn l n thỡ cỏc ht mang in l
in t, do ú cc tớnh in ỏp cc mỏng D s l dng so vi cc gc S. Cu trỳc ca
MOSFET kờnh dn kiu p cng tng t nhng cỏc lp bỏn dn s cú kiu dn in
ngc li. Tuy nhiờn a s cỏc MOSFET cụng sut l loi cú kờnh dn kiu n.
Hỡnh 10 mụ t s t
o thnh kờnh dn trong cu trỳc bỏn dn ca MOSFET.
Kờnh dn s c hỡnh thnh khi in ỏp cc iu khin l dng
U
GS
>0, v ln, b

mt tip giỏp cc iu khin s tớch t cỏc in t v mt kờnh dn thc s ó hỡnh
thnh (hỡnh 10b), dũng in bõy gi s ph thuc vo in ỏp U
DS
.
1.2.3.2. c tớnh tnh ca mt khoỏ MOSFET
c tớnh tnh c th hin trờn hỡnh v 11. Khi in ỏp iu khin U
GS
nh
hn mt ngng no ú khong c 3V MOSFET trng thỏi khoỏ. Khi U
GS
c 5
ữ
7V
MOSFET s ch dn. Thụng thng ngi ta iu khin MOSFET bng in ỏp
iu khin khong 15V lm gim in ỏp ri trờn D v S. Khi ú U
DS
s gn nh t
l vi dũng I
d
.
c tớnh tnh ca MOSFET cú th c tuyn tớnh hoỏ ch bao gm 2 on th
hin hai ch khoỏ v dn dũng. Theo c tớnh ny dũng qua MOSFET ch xut hin
khi in ỏp iu khin vt qua mt giỏ tr ngng U
GS(th)
. Khi ú nghiờng ca
ng c tớnh tnh khi dn dũng c trng bi dn:
G
m
=
GS

D
U
I



U
GS(th)
, G
m
l nhng thụng s ca MOSFET. Ngi ta cú th dựng giỏ tr nghch o
ca G
m
l in tr thun R
DS(on)
c trng cho quỏ trỡnh dn ca MOSFET.








Hinh 11. c tớnh tnh ca MOSTFET


Giang Cao Sơn K46ĐC
16
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp

Giang Cao S¬n K46§C
17

b) Mạch điện tương đương
a) Các thành phần tụ ký sinh giữa các lớp









Hình 12

1.2.3.3. Đặc tính đóng cắt của MOSFET
MOSFET có thể đóng cắt với tần số rất cao. Để có thể đạt được thời gian đóng
cắt nhanh thì vấn đề điều khiển là rất quan trọng. Thành phần ảnh hưởng đến thời gian
đóng cắt của MOSFET là tụ điện ký sinh giữa các cực.
Hình 12a thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh tạo ra giữ
a các lớp tiếp giáp
trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc C
GS
phải
được nạp đến điện áp U
GS(th)

trước khi dòng cực máng có thể xuất hiện. Tụ giữa cực
điều khiển và cực máng C
GD
có ảnh hưởng lớn đến giới hạn tốc độ đóng cắt của
MOSFET.
Hình 12b là sơ đồ tương đương của một MOSFET và các tụ ký sinh tương
ứng. Các tụ này thực ra có giá trị thay đổi tuỳ theo mức điện áp, ví dụ C
GD
thay đổi
theo điện áp U
DS
giữa giá trị thấp C
GD,L
và giá trị cao C
GD,H
như được biểu diễn trên
hình 13







Hinh 13. Sự phụ thuộc của tụ điện giữa cực G-D và U
DS

§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp

*) Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của MOSFET
Thời gian trễ khi mở, khoá phụ thuộc giá trị các tụ ký sinh C
GS
, C
GD
, C
DS
tuy
nhiên các thông số kỹ thuật của MOSFET thường được cho dưới dạng các trị số tụ
C
ISS,
C
RSS,
C
OSS
dưới những điều kiện nhất định như điện áp U
DS
, U
GS
.
Có thể tính ra các tụ ký sinh như sau:
C
GD
=C
RSS
C
GS
=C
ISS
-C

RSS
C
DS
=C
OSS
-C
RSS
Việc tính các giá trị trung bình cho các tụ C
GD
và C
DS
với điện áp làm việc
tương ứng theo công thức gần đúng như sau:
C
GD
=2(C
RSS.làm việc
).(U
US.làm việc
/U
DS.off
)
1/2
C
OSS
=2(C
OSS.làm việc
).(U
DS.làm việc
/U

DS.off
)
1/2
*) Xác định công suất cho mạch điều khiển MOSFET
Các tài liệu kỹ thuật thường cho thông số điện tích nạp cho cực điều khiển
Q
G
(c) dưới điện áp khi khoá giữa cực máng và cực gốc, U
DS(off)
cụ thể. Khi đó công
suất mạch điều khiển tính bằng:
P
điều khiển
= U
cc
.Q
g
.f
sw
( f
sw
là tần số đóng cắt của MOSFET)
Tổn hao công suất do quá trình đóng cắt trên MOSFET được tính bằng:
P
SW
=
2
1
U
DS

.I
D
.f
sw
.(t
on
+t
off
)
Trong đó:
I
D
: dòng cực máng
U
DS
: điện áp giữa cực máng và cực gốc
T
on
: thời gian mở của MOSFET
T
off
: thời gián khoá của MOSFET
1.2.4. Tranzito có cực điều khiển cách ly, IGBT( Insulated Gate Bipolar Tranzito)
1.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động




Giang Cao S¬n K46§C
18

Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp



c) S tng ng







b) cu trỳc bỏn dn b) ký hiu
Hỡnh 14

IGBT cú cu trỳc bỏn dn v ký hiu nh hinh 14a,b. IGBT l phn t kt hp
kh nng úng ct nhanh ca MOSFET v kh nng chu ti ln ca Tranzito thng.
V mt iu khin IGBT gn nh ging hon ton MOSFET, ngha l c
iu khin bng in ỏp, do ú cụng sut iu khin rt nh.
V mt cu trỳc bỏn dn: IGBT r
t ging vi MOSFET, im khỏc nhau l cú
thờm lp p ni vi colector to nờn cu trỳc p-n-p gia emitor (cc gc) v colector
(cc mỏng), khụng phi l n-n nh MOSFET. Cú th coi IGBT tng ng vi mt
Tranzito p-n-p vi dũng baz uc iu khin bi mt MOSFET.
Di tỏc dng ca in ỏp iu khin U
GE
>0, kờnh dn vi cỏc ht mang in
l cỏc in t c hỡnh thnh, cỏc in t di chuyn v phớa colector vt qua tip
giỏp n-p to nờn dũng colector.
1.2.4.2. c tớnh úng ct ca IGBT

Do cu trỳc p-n
-
-p m in ỏp thun gia C v E trong ch dn dũng
IGBT thp hn so vi MOSFET. Tuy nhiờn cng do cu trỳc ny m thi gian úng
ct ca IGBT chm hn so vi MOSFET, c bit khi khoỏ li.
Trờn hỡnh 14c th hin cu trỳc tng ng ca IGBT so vi MOSFET v
mt Tranzito p-n-p. Ký hiu dũng qua IGBT gm 2 thnh phn: i
1
l dũng qua
MOSFET, i
2
l dũng qua Tranzito. Phn MOSFET trong IGBT cú th khoỏ li nhanh
chúng nu x ht c in tớch gia G v E, do ú dũng i
1
s bng 0. Tuy nhiờn dũng
i
2
s khụng th suy gim nhanh c do lng in tớch tớch lu trong lp n
-
(tng
ng vi baz ca cu trỳc p-n-p) ch cú th mt i do quỏ trỡnh t trung ho in
tớch. iu ny dn n xut hin vựng dũng in kộo di khi khoỏ mt IGBT.

Giang Cao Sơn K46ĐC
19
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


a) Ảnh hưởng của điện áp âm khi khoá b) Ảnh hưởng của điện trở đầu vào R
G

Hình 16
Hình 15. Yêu cầu đối với mạch điều khiển
G
E
C
Rg
IGBT
+Uge
-Uge
1.2.4.3. Yêu cầu với tín hiệu điều khiển IGBT







IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, điện áp giữa cực điều khiển và
emitor sẽ xác định chế độ khoá hay mở của IGBT.
Mạch điều khiển IGBT có yêu cầu tối thiểu như biểu diễn ở hình 15.
Tín hiệu mở có biên độ U
GE
, tín hiệu khoá có biên độ -U
GE
cung cấp cho mạch
G-E qua điện trở R
g
. Mạch G-E được bảo vệ bởi điôt ổn áp ở mức . Do có tụ ký
sinh lớn giữa G và E nên kỹ thuật điều khiển như MOSFET có thể áp dụng. Tuy nhiên
điện khoá phải lớn hơn. Nói chung tín hiệu điều khiển thường được chọn là

V18±
V15±
là
phù hợp. Mức điện áp âm khi khoá góp phần làm tổn thất công suất trên mạch điều
khiển. Trên hình 16a ta thấy rõ điện trở R
G
nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều
khiển, giảm ảnh hưởng
dt
dU
CE
, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình điều khiển,
nhưng làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện cảm ký sinh trong mạch điều khiển
(hình 16b)











Giang Cao S¬n K46§C
20
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp

Dòng điều khiển đầu vào phải cung cấp được dòng điện có biên độ
I
Gmax
=
g
CE
R
U
∆
trong đó
∆
U
GE
=U
GE(on)
+| U
GE(off)
|
Tổn hao công suất trung bình có thể tính bằng:
P=U
GE
.Q
G
.f
sw
Trong đó:
Q
G
nạp cho tụ đầu vào, giá trị thường được cho trong tài liệu kỹ thuật
của nhà sản xuất

f
sw
là tần số đóng cắt của IGBT
1.2.5. So sánh tương đối các phần tử bán dẫn công suất












Hình 17. So sánh tương đối các phần tử bán dẫn công suất

(số liệu ở đây được lấy từ năm 1995)
Hình 17 thể hiện một cách hình ảnh so sánh tương đối giữa các phần tử công
suất bán dẫn theo khả năng đóng cắt(Trong pham vi của khoá luận ta chỉ so sánh 4
phần tử: GTO, BJT, MOSFET, IGBT). Từ đó ta thấy được phạm vi ứng d
ụng của từng
phần tử theo các dải điện áp, dòng điện và các tần số khác nhau.
*) GTO (Gate Turn Off TIRISTO): Là phần tử làm việc ở dải tần số thấp nhất,
dưới 4KHz. Nó được chế tạo cho khả năng đóng cắt về điện áp, dòng điện 1 chiều lớn
nhất. GTO được ứng dụng trong các bộ biến tần với công suất hàng trăm KW đến

Giang Cao S¬n K46§C
21

§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp


công suất cực lớn hàng MW. Tuy nhiên GTO có nhược điểm lớn đó là khả năng chịu
điện áp ngược rất thấp, hầu như không chịu được điện áp ngược.
*) Tranzito MOSFET: Với tần số làm việc lớn nhất (hơn 100KHz). Tuy nhiên
do điện trở thuận khi dẫn dòng điện lớn nên MOSFET chỉ phù hợp với dòng điện cỡ
200A trở xuống và điệ
n áp dưới 1000V MOSFET có khả năng đóng cắt dòng điện một
chiều lớn như vậy mà nó lại được điều khiển bằng điện áp với dòng cực nhỏ. Đây là
ưu điểm rất lớn của MOSFET, nhờ vậy các mạch điều khiển đơn giản rất phù hợp với
các mạch điều khiển cho công suất nhỏ (dưới 200A).
*) Tranzito lưỡ
ng cực, BJT: BJT có ưu thế hơn MOSFET ở khả năng chịu
dòng lớn hơn tới 750A và khả năng chịu dòng áp lớn hơn ( tới 1500V). Tuy nhiên để
có thể điều khiển dòng lớn như vậy thì BJT cũng cần có dòng điều khiển khá lớn.
I
B
=K
bh
β
C
I

với K
bh
= 1,2
÷
1,5V
Hệ số khuyếch đại

β
rất thấp khoảng hàng chục lần.Vì thế nhược điểm rõ
nhất là khi dùng BJT cho đóng cắt công suất lớn thì mạch điều khiển lớn, phức tạp, tổn
hao năng lượng.
*) IGBT( Insulated Gate Bipolar Tranzitor): Có khả năng đóng cắt dòng điện
tới 2000A và điện áp dưới 2000V. IGBT có cực điều khiển bằng điện áp, tần số đóng
cắt cao hơn nhiều so v
ới GTO (100KHz) qua đó IGBT là phần tử có tính ưu việt, nó
kết hợp được điểm mạnh của MOSFET đó là khả năng đóng cắt nhanh và được điều
khiển dễ dàng, cộng với ưu điểm của BJT là khả năng đóng cắt dòng điện lớn. Nhờ thế
IGBT ngày nay được sử dụng rộng rãi trong các bộ biến tần, tạo xung với công suất
lớ
n. Tuy nhiên ở thị trường Việt Nam thì việc tìm IGBT không phải là đơn giản.
Đối với các linh kiện công suất thì việc toả nhiệt cho nó là một vấn đề phải
được tính đến, do đó ta cần xem xét vấn đề này.
1.2.6. Vấn đề toả nhiệt cho linh kiện công suất
Tổn hao công suất được tính bằng tích của dòng điện chạy qua phần tử với
điện áp rơi trên phần tử biểu hiện d
ưới dạng nhiệt. Nhiệt lượng toả ra tỷ lệ với giá trị
trung bình của tổn hao công suất. Trong quá trình làm việc, nhiệt độ của bản thân cấu
trúc bán dẫn phải luôn dưới ở một giá trị cho phép (khoảng 120-150
0
C theo đặc tính kỹ
thuật của phần tử), vì vậy nhiệt lượng sinh ra cần phải tiêu tán để đảm bảo yêu cầu kỹ
thuật về nhiệt độ và độ bền của linh kiện điện tử.

Giang Cao S¬n K46§C
22
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp

1.2.6.1. Mô hình truyền nhiệt
Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Nhiệt lượng trao
đổi P
T
tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ theo hệ số, gọi là trở kháng truyền nhiệt R
T
. Theo
đó
P
T
=
T
R
TT
)(
21
−

Trong đó: P
T
[W]; T[
0
C]; R
T
[
0
C/W]
Sự cân bằng nhiệt sảy ra khi nhiệt lượng phát sinh bằng nhiệt lượng toả ra môi
trường

P
T
dt=Ad
dtB
θθ
.
+

Trong đó:
P
T
: công suất phát nhiệt trên phần tử [w]
A: nhiệt lượng riêng, bằng nhiệt lượng làm cho nhiệt độ phần tử thay đổi 1
0
C [J]
B: công suất toả ra để nhiệt độ môi trường tăng thêm 1
0
C [J]
θ
: chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử và môi trường [
0
C]
Viết lại phương trình vi phân trên dưới dạng:
P
T
= A
θ
θ
.B
dt

d
+
(*)
Giả sử ở thời điểm t=0 chênh lệch nhiệt độ là
θ
=0, nghiệm của phương trình
(*) sẽ là:
θ
=
θ
max
[1-
T
t
e
τ
]
Trong đó:

θ
max
=
B
P
T
là chênh lệch nhiệt độ lớn nhất đạt được

T
τ
=

B
A
là hằng số thời gian nhiệt






Hình18. Đường cong phát nhiệt

Giang Cao S¬n K46§C
23
§¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp



Đường cong thay đổi nhiệt độ được thể hiện trên hình 18 ứng với 2 công suất
phát nhiệt khác nhau P
T1
>P
T2
. Dạng đường cong nhiệt độ như trên hình 18 chỉ đúng
cho môi trường đồng nhất, ví dụ một bản nhôm hay đồng. Tuy nhiên phần tử bán dẫn
được gắn lên bộ phận toả nhiệt là một môi trường không đồng nhất vì thể tích nhỏ nên
khả năng tích nhiệt kém sẽ tăng rất nhanh. Nhiệt lượng từ phần tử truyền ra cánh toả
nhiệt, rồi từ đó truyền ra môi trường. Sẽ
có sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử, cánh
toả nhiệt, môi trường. Tương ứng giữa các bộ phận giáp nhau sẽ có trở kháng truyền
nhiệt khác nhau.

Mô hình hệ thống toả nhiệt được mô tả trên hình 19.











Hình 19. Mô hình truyền nhiệt

Hình 19 cũng thể hiện được nhiệt độ giảm từ phần tử T
j
tới vở phần tử T
V
, tới
cánh toả nhiệt T
h
và tới môi trường T
n
.
Dòng nhiệt truyền từ cấu trúc bán dẫn ra đến vỏ phần tử, từ vỏ đến cánh toả
nhiệt và từ cánh toả nhiệt ra ngoài môi trường. Giữa các môi trường tiếp giáp nhau thì
có trở kháng toả nhiệt là: R
th
=R
th(j-v)

, R
th(v-h)
, R
th(h-a)
Do đó trở kháng toả nhiệt sẽ bằng tổng trở kháng toả nhiệt giữa các vùng tiếp
giáp nhau R
th
=R
th(j-v)
+ R
th(v-h)
+ R
th(h-a)
.
Như vậy, nhiệt độ giả tưởng của cấu trúc bán dẫn sẽ là T
j
= T
a
+P
T
.R
th
Biểu thức này thường được sử dụng để xác định R
th
cần thiết khi biết nhiệt độ giới hạn
T
j
của phần tử, nhiệt độ làm việc của môi trường T
a
và công suất phát nhiệt P

T
.

Giang Cao S¬n K46§C
24
Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp


1.2.6.2. Tớnh toỏn to nhit
0







Hinh 20. th nhit v cụng sut to nhit ln nht cho phộp

Hỡnh 20 mụ t th nhit v cụng sut to nhit ln nht cho phộp gia
cụng sut ln cú th to ra ngoi mụi trng v nhit v phn t ph thuc nhau
theo biu thc:
P
max
=
const
R
T
vjth
V

=

)(
max,
25

( trong ú gi thit nhit mụi trng l 25
0
C)
Mi quan h gia nhit v cụng sut to nhit ln nht cho phộp c th
hin hỡnh 20. Theo ú khi nhit cu trỳc bỏn dn bng nhit cc i cho phộp
T
J,max
thỡ cụng sut to nhit s bng 0, ng ngha vi vic phn t bỏn dn b phỏ
hu. Cỏc s liu ny ( th hỡnh 20) cho mi phn t bỏn dn c cho trong c tớnh
k thut ca nh sn xut. m bo cu trỳc bỏn dn mt nhit thớch hp ta
phi gn phn t bỏn dn lờn mt cỏnh to nhit.
Khi ú:
P
max
=
const
R
T
ajth
V
=

)(
max,

25

Theo mụ hỡnh truyn nhit trờn hỡnh 19 ta cú :
T
j
: nhit ca cu trỳc bỏn dn, cho bi nh sn xut
T
V
: nhit v ca phn t
T
h
: nhit cỏnh tn nhit
T
a
: nhit mụi trng
P
th
: tn hao phỏt nhit trong phn t, c tớnh toỏn bi ngi s dng
R
th(j-v)
: tr khỏng nhit gia cu trỳc bỏn dn v v cho bi nh sn xut

Giang Cao Sơn K46ĐC
25