Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 2: Linh kiện điện tử công suất

Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Chương 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2.1 DIOD CÔNG SUẤT: Là diod chịu dòng lớn, dùng trong ĐTCS 2.1 Diod công suất 1. Phân loại: - có hai loại: 2.2 Linh kiện họ transistor - tần số công nghiệp (diod chỉnh lưu) 2.3 Linh kiện họ thyristor - diod tần số cao có diod Schotky chịu áp thấp, sụt áp thuận 0.2 – 0.4V. Ngắt điện điện tử: 2. Đặïc tính phục hồi của diod (recovery): linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử làm việc trong hai chế độ: Từ dẫn -> khóa có khoãng dẫn dòng ngược - Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp rất bé, dòng phụ thuộc vào tải. - Khóa (OFF): dòng qua nó rất bé (≈ 0), xem như hở mạch. Linh kiện chính: diode, thyristor (SCR), transistor (BJT, MosFET, IGBT). TÁC DỤNG: hạn chế tần số làm việc, quá áp đóng ngắt 3 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 4 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2.2 LINH KIỆN HỌ TRANSISTOR: 2.2.1 Đặc tính đóng ngắt BJT Là nhóm linh kiện đóng ngắt theo điều khiển: BJT, MosFET, IGBT - Thí nghiệm đóng ngắt tải R và RL: C VCC D D C VCC G L G i G G C S Rt S E E i Rt C MosFET kênh n (Ký hiệu quen dùng) Ký hiệu IGBT Mạch nguyên lý IGBT VBB Q VBB Q - MosFET: là transistor trường loại tăng (enhancement). R2 v R2 v R1 CE R1 CE - IGBT (Insulated Gate BJT) = MosFET ở ngỏ vào + BJT ở ngỏ ra. BJT: điều khiển bằng dòng cực B MosFET, IGBT: điều khiển bằng áp VGS VGE - từ khóa Ỉ bảo hòa transistor đi qua trạng thái khuếch đại - IB = 0 => BJT khóa, không dẫn điện - VGS ≤ 0 : transistor khóa - IB đủ lớn (IB > IC / β) BJT bảo hòa: dòng - VGS > VTH : transistor dẫn điện => có tổn hao đóng ngắt: tải IC chỉ phụ thuộc tải. (VTH từ 3 .. 5 volt) phát nhiệt tăng cao theo tần số làm việc transistor Darlington có β từ vài trăm Thực tế điều khiển: => cần có biện pháp: đến vài nghìn. 0/10 – 15V hay ±(10 – 15)V điều khiển tối ưu + mạch hỗ trợ 5 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 6 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2.2.2 Mạch lái BJT: a. Dạng xung điều khiển tối ưu: Khái niệm về mạch lái (driver): - Dòng cực B tối ưu: i B D VBB R Icb Q R2 Điều khiển Mạch Khuếch đại Ghép I C vòng kín phát xung xung nối NĐBD dt R1 t Điều khiển Mạch lái (driver) mạch Snubber Ing DRIVER: bộ phận trung gian giữa HT điều khiển - thiết bị Giải thích: - HT ĐKTĐ: Driver = bộ điều khiển động cơ/ tải công suất tụ điện ký sinh CBE cần nạp/xả nhanh - BBĐ: Driver = mạch cung cấp dòng điều khiển NĐBD MosFET, IGBT: cũng có quá trình tương tự với CGS . gồm KĐ công suất + ghép nối - Mạch cải thiện quá trình khóa: - Ghép nối: trung gian mạch ĐK – động lực Tụ C tạo đường dẫn điện IC trrong quá trình khóa ngắt điện Trực tiếp – qua trung gian quang / từ 7 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 8 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b. Mạch lái BJT 2.2.3 mạch lái MosFET, IGBT: - các dạng mạch lái trực tiếp: (a), (b), (d) - Các thông số: Mạch cực cổng VCC Ngưỡng áp điều khiển 3 – 5 V D 1uF Q2 MOSFET N C Q1 220 330p VBB Q Q Q R2 T Xung R3 R2 Q2 2.2k Q1 Tiêu biểu 0 – 10 V (hay 15 V) 0..15V 510/3w R1 D Dz7V2 22k R1 +/- 10 V (hay 15 V) (a) (b) (c)- VCC (d) Giới hạn +/- 20 V - Ghép bằng quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái. OPTRON (Cách ly tín hiệu cấp điện - Mạch lái MosFET và IGBT: ĐK) + sửa dạng + khuếch + _ Tần số thấp: lái trực tiếp từ vi mạch 12V đại công suất (Ghép trực Tần số cao: Mạch lái tương tự BJT nhưng cấp điện 15 – 20V. tiếp). 10 mA1 4 Khuếch Vi mạch lái: - IR21xx Mạch điện tương tự như lái OPTO đại xung 2 3 - optron + mạch KĐại SCR. 9 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 10 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD II.3 LINH KIỆN HỌ THYRISTOR: Được phép mang vào phòng thi Thyristor: linh kiện có ≥ 4 lớp, đại diện là SCR A 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR: P N Hình II.2.1: nguyên lý G P SCR N K Cấu tạo nguyên lý Mạch tương đương hai BJT Ký hiệu SCR - Mạch tương đương giải thích được hoạt động của SCR khi phân cực thuận Hình II.2.2: Cấu tạo một - Khi mới cấp điện, i = 0 : SCR khóa thuận và ngược – I là dòng điện rò, rất bé, SCR dòng lớn ở tỉ lệ thực G A (a) và phóng to mảnh cở mA với VAK ≠ 0. tinh thể bán dẫn (b) - Khi SCR phân cực thuận VAK > 0, và IG > 0, SCR Ỉ dẫn điện Anod: Dương cực - SCR tự giữ trạng thái dẫn điện cho đến khi IA Ỉ 0. Katod: Âm cực 2. Đặc tính tĩnh ( volt – ampe ): Gate: Cổng hay cực điều khiển. Mô tả quan hệ IA(VAK) với dòng IG khác nhau. 11 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD 12 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Được phép mang vào phòng thi Có 2 thông số dòng: IL : dòng cài, IH : dòng giữ 2. Đặc tính động ( đóng ngắt ): a. Đặc tính mở: ( turn on ) - Thời gian trễ ton - Giới hạn tốc độ tăng dòng diA/dt vì có thời gian lan truyền của vùng dẫn điện Hình II.2.3 Sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến volt – ampe của SCR Hình II.2.4.a. Đặc tính động : mở * VAK < 0 : Khóa ngược: có dòng rò ngược, cở mA. và khóa của SCR Khi VAK < - VRB ta có hiện tượng gãy ngược Ỉ SCR bị hỏng. * VAK > 0 và IG = 0 : Khóa thuận: có là dòng rò thuận, cở mA. (1) (2) Khi VAK > VFB ta có hiện tượng gãy thuận: SCR Ỉ dẫn điện. Định mức áp của SCR cần lớn hơn các giá trị gãy với hệ số an toàn > 2. * Quá trình kích: Khi phân cực thuận, nếu IG tăng, VFB giảm dần. => Kích dòng IG đủ lớn để SCR dẫn điện bất chấp áp phân cực thuận. * Vùng dẫn điện: sụt áp VAK = VF khoảng 1 - 2 volt. 13 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD 14 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Được phép mang vào phòng thi Hình II.2.4.b. Cấu tạo SCR cực C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; cổng để cải thiện đặc tính R1 = 20 – 100 ohm; C1 = 0.1 – 0.5 uF. động Hình II.2.5: Mạch snubber R1C1 và RC cực cổng bảo vệ SCR khỏi các chế độ kích dẫn không mong muốn. b. Đặc tính khoá: ( turn off ) - Thời gian đảm bảo tắt toff toff = [ 10 .. 50 ] usec với SCR tần số cao [ 100 .. 300 ] usec với SCR chỉnh lưu. - Có giới hạn tốc độ tăng du/dt để tránh tự kích dẫn. - Có quá trình dẫn dòng ngược khi khóa (đặt áp âm) như diod (đặc tính phục hồi ngược). 3. Đặc tính cổng: (hay kích khởi cổng) - Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn (hình II.2.5). 15 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD 16 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Được phép mang vào phòng thi Bao gồm: 4. Các linh kiện khác trong họ thyristor: Thyristor là họ linh kiện có ít nhất 4 lớp với SCR là đại diện. (1) IG(VG) tiêu biểu, Thyristor có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện (kích dẫn). (2) IG(VG) ứng với điện trở RG bé, Một số Thyristor được chế tạo để có thể điều khiển được quá trình khoá làm thành (3) IG(VG) ứng với điện trở RG lớn. Các thông số giới hạn ( cực đại ): ngắt điện điện bán dẫn một chiều. dòng IGmax, áp VGmax và công suất tiêu tán trung bình P Gmax (phụ thuộc bề rộng xung kích SCR). Hình II.2.6: Đặc tính cổng SCR Các thông số giới hạn (bé nhất) cho đảm bảo kích: VGT, IGT . Hình II.2.7: Ký hiệu của các linh kiện hay gặp của họ Thyristor. Điểm làm việc của cực cổng SCR phải nằm trong các giới hạn trên. a. DARLISTOR: SCR có cấu tạo nối tầng (cascade) để tăng hệ số khuếch đại dòng I / I A G b. DIAC: c. LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích bằng tia sáng. d. GTO: ( Gate turn off SCR, SCR tắt bằng cực cổng ). GTO cho phép ngắt SCR bằng xung âm ở cực cổng. Từ mạch tương đương hai BJT 17 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD 18 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Được phép mang vào phòng thi (hình 1.2a), khả năng này có thể được dự đoán. khó làm việc với tải có tính cảm. e. TRIAC: Là hai SCR song song ngược, được chế tạo với dòng định mức đến hàng 6V ngàn ampe. 5. Mạch lái Thyristor: - IG > 0 hay IG < 0 tổ hợp với R4 a. Ghép trực tiếp: 2.2 ohm VT > 0 hay VT < 0 cho ta 220 Mạch lái = mạch XUNG DK R2 Q1 4 kiểu hoạt động C1061 2.2 ohm khuếch đại dòng R5 100 SCR R1 0.1 uF R3 R? C1 100 R Hình II.2.8 Đặc tuyến V – I của TRIAC và DIAC b. Ghép quang: dùng OPTRON cách ly Điều khiển - Động lực Hình II.2.9: Hình dạng bên ngoài của một số TRIAC (SCR cũng tương tự ) Nhược điểm TRIAC: - dễ bị tự kích ở nhiệt độ mối nối cao - có giới hạn du/dt rất thấp, 19 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD 20 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Được phép mang vào phòng thi OPTRON (Optocoupler) 6V Đặc tính optron TRIAC họ MOC của Motorola 1 4 2.2 ohm OPTO1 OPTRON Triac họ MOC 2 3 Q1 OPTRON thông thường có Q2 1K thời gian trễ lớn hơn vài micro 2.2 ohm 4K7 SCR giây => tần số tối đa đến vài R2 R1 4k7 100 chục KHz. 4K7 Sơ đồ kích SCR dùng OPTRON thông thường. Đặc tính optron PS2521 (NEC) hay TLP521 (TI) c. Ghép biến áp: biến áp xung (BAX) nguyên tắc BAX là xung phải đủ hẹp: thời gian có xung đủ nhỏ – thời gian nghỉ đủ dài 21 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi VCC BAX SCR D2 100 47n D2 3k3 3.3 ohm D1 3k3 Q1 3k3 Mạch lái xung hẹp