Mở đầu: Tổng quan về điện tử công suất Mục tiêu - Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất - Tính toán được các đại lượng trong điện tử công suất. - Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập. Giới thiệu chung về điện tử công suất Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong công 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 soát từ nguồn đến tải. Công 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 hoán 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 công 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 công nghiệp, ngoài 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, công suất… • Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau • Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode, Transistor, Mosfet,SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT… 7 1. Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất 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 không dẫn điện (có điện trở suất lớn). Chất không dẫn điện còn 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 ngoài 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. Khi có một tâm không thuần khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không 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 hoàn 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 ngoài 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 ngoài 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 In As - Ge Ge Ge Ge Ge Ge a, b, 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. 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 hoà 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. 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 ngoài (do nguồn ngoài 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 dòng điện không tạo ra được. Trên thực tế, vẫn có một dòng điện rất nhỏ qua lớp tiếp xúc gọi là dòng điện ngược (vì chảy từ N sang P) hay dòng điện rò. Eo Eo - + + P - + N P - + N P N - + - + - + - - + - + - + - Ith + - Ing + - + Ith J Rt E Rt E Ing = 0 + - - + A C A C I Rt I=0 Rt + - - + a, b, c, 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 không cho dòng 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. 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).5: Cấu tạo của Diode công 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 dòng điện ngược (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (đoạn 3). Tới điện áp ngược |U| > 0,1V thì dòng 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 dòng điện ngược tăng nhanh (đoạn 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì Diode bị đánh thủng.6: Đặc tính Von-Ampe của Diode Lúc này, dòng 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. Với Ung < 0,8 Ung.max thì dòng điện rò qua Diode nhỏ không 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 không cho dòng điện qua từ cathode C sang anode A khi phân áp ngược.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 (không thẳng) (đường a hình 1.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 vô cùng, không có dòng điện ngược.A của Diode còn thay đổi theo nhiệt độ (hình 1. Qua đặc tính V.A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà Diode có thể dẫn dòng hay không dẫn dòng. Diode là một van (valve) bán dẫn. Tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu (nắn) dòng điện xoay chiều thành một chiều.