Lời mở đầu : Kỷ nguyên của Truyền động điện có thể coi như bắt đầu từ thế kỷ 19 khi Tesla phát minh ra động cơ không đồng bộ năm 1888. Từ đó, động cơ điện dần dần thay thế động cơ hơi nước, vốn được coi là động lực cho cách mạng công nghiệp lần thứ nhất (thế kỷ 18) và lần thứ hai (thế kỷ 19). Sự ra đời của các van bán dẫn công suất lớn như diode, BJT, thyristor, triac và tiếp đó là IGBT thực sự mang đến cho truyền động điện một sự biến đổi lớn về chất và lượng. Bài nghiên cứu nhằm mục đích phân loại tìm hiểu độ tin cậy cảu điện tử công suát đối với ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng như hiện nay.
CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 PHÂN LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức năng cơ bản là ĐÓNG và NGẮT dòng điện đi qua nó. - Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất bé (gần bằng không). - Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất lớn. - Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái không dẫn điện và ngược lại thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển của linh kiện.
Ta gọi linh kiện có điều khiển được. Tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hay ánh sáng với công suất nhỏ hơn nhiều so 3 Luan van - Nếu linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kiện thộc loại khôngđiều khiển được. - Đối với các linh kiện điều khiển được, nếu tín hiệu điều khiển chỉ là cho nó dẫn dòng điện mà không thể tác động ngắt dòng điện qua nó, ta gọi linh kiện không có khả năng kích ngắt (SCR, TRIAC). Ngược lại, nếu linh kiện có thể chuyển trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay từ ngắt sang đóng thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt (BJT, MOSFET, IGBT,GTO…).
Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh kiện như sau : - Nhóm các linh kiện không điều khiển như Diode, DIAC. - Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC. - Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET, IGBT, GTO.2 DIODE CÔNG SUẤT 1.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việcvới công suất của nguồn và tải.1: Cấu trúc Diode (a) và ký hiệu (b) Diode được cấu tạo bằng mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu điện tử đồng thời chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo ra hàng rào điện thế vào khoảng 0,6 V. 4 Luan van Hình H1.1a : Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode a) phân cực thuận b) phân cực ngược Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với lớpN (hình H1.a), khi đó điện tử được chuyển từ lớp N qua lớp P.
Còn các hạt mang điện được chuyển từ lớp P sang lớp N và như vậy có một dòng điện chạy qua diode. Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực âm gắn với lớp P – hình H1.b), điện tử và phần tử mang điện dạng lỗ trống và các điện tử tự do bị kéo ra xa mối nối, kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua. Khi điện áp ngược tiếp tục tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng và diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều (diode bị hỏng). Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K).2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A) 5 Luan van Hình H1.2: Đặc tính V – A thực tế (a) và lý tưởng(b) Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện (nằm ở góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm ở góc phần tư III) như trên hình H1.2a là đặc tính V – A thực tế, hình H1.2b là đặc tính lý tưởng.
Giải thích các ký hiệu : - U0: điện áp khóa của diode, U0 = 0,3V 0,6V tùy theo chất bán dẫn.- UF: điện áp thuận của diode - UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng) - IF: dòng điện thuận chạy qua diode.3 Trạng thái đóng ngắt Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (không dẫn điện). UAK> U0: diode dẫn điện. UAK< U0: diode ngưng dẫn. Ta xét với trường hợp diode lý tưởng : UAK> 0: diode dẫn điện.
UAK< 0: diode ngưng dẫn.4 Các tính chất động 6 Luan van Quá trình chuyển mạch: là quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngắt.4: Quá trình chuyển mạch của Trong khoảng [0t0] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận IF t Tại thời điểm 0 diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0. tt Khi 1 : dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên diode tiếp tục dẫn với dòng có chiều ngược lại. tt Khi 2 : các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khôi phục khả năng khoá áp ngược. tt Khi 3 : dòng ngược giảm về 0.
Qúa trình ngắt diode kết thúc.5 Mạch bảo vệ diode 7 Luan van Hình H1.5: Mạch bảo vệ diode Để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho diode công suất, ta mắc song song với diode mạch lọc RC.Tuy nhiên, các diode công suất trên thực tế đã tích hợp sẳn mạch RC.6 Các đại lượng định mức của diode Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (URM) có thể lặp lại tuần hoàn trêndiode. Dòng điện định mức: là dòng điện thuận lớn nhất (IFM) chạy qua diode mà không làm cho diode bị hỏng. Để tăng khả năng chịu áp tải ta ghép nối tiếp các diode, để tăng khả năng chịu dòng tải ta ghép song song các diode. Hình dạng của một số diode trên thực tế như trên hình H1.6: Một số diode trên thực tế.3 BJT CÔNG SUẤT (BIPOLAR JUNTION TRANSISTOR) 8 Luan van 1.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc Transistor được cấu tạo bởi cấu trúc 3 lớp dạng n-p-n (hình H1.Nhưng dạng n-p-n được sử dụng nhiều hơn vì loại này có kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện.
Transistor có 3 cực: cực Base (B), cực Collector (C) và cực Emitter (E) và là linh kiện được điều khiển hoàn toàn thông qua cực B và E. Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E. Ký hiệu của transistor như trên hình H1.1: Nguyên lý cấu tạo của transistor Hình H1.1a : Ký hiệu của transistor Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor BJT được sử dụng như một công tắc đóng ngắt các mạch điện, phần lớn sử dụng loại NPN và mắc theo dạng mạch có Emitter chung (hình H1.1 b ) 9 Luan van Trên hai cực B và E là điện áp điều khiển uBE.Các điện cực C, E được sử dụng làm công tắc đóng ngắt mạch công suất. Điện áp điều khiển phải có tác dụng tạo ra dòng iB đủ lớn để điện áp giữa hai cực C và E đạt giá trị bằng không (uCE=0).
Transistor là linh kiện được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện iB.1b : Sơ đồ mắc theo dạng Emitter chung 1.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung Đặc tính V-A ngõ ra của mạch mắc theo dạng E chung như trên hình H1.2: Đặc tính V-A ngõ ra của mạch E 10 Luan van Đặc tính ngõ ra: biểu diễn quan hệ của các đại ngõ ra iC = f(uCE), thông số biến thiên là dòng kích iB. Các đặc tính ngõ ra được vẽ cho các giá trị khác nhau của iB. Đường thẳng biểu diễn UCE = U - ICRC là đường đặc tính tải. Giao điểm của đường này với các đặc tính ngõ ra sẽ xác định điểm làm việc của transistor.
Trong vùng chứa đặc tính ngõ ra, ta phân biệt ba vùng: vùng nghịch, vùng bảo hòa và vùng tích cực. Vùng nghịch: iB= 0, transistorởtrạng thái ngắt. Dòng iCcó giá trịnhỏkhôngđáng kể đi qua transistor và tải gọi là dòng điện rò. Vùng bảo hòa: là vùng giới hạn xác định bởi điện thếUCE= UCE(sat)nhỏnhất cóthể đạt được ứng với giá trị IC cho trước và vùng giới hạn bởi đường đặc tính khi I B= 0.
Nếu điểm làm việc nằm trong vùng bảo hòa (xem điểm đóng như trên hình H1.2a), transistor sẽ đóng, transistor làm việc như một khóa đóng ngắt dòng điện. Vùng tích cực: là vùng transistor hoạt độngởchế độkhuếch đại tín hiệu.3 Trạng thái đóng ngắt IB ≥ IB(sat) : BJT đóng. IB = 0: BJT ngắt. Với IB(sat) là dòng điện IB bảo hòa.
Để đơn giản, ta thường xét điều kiện đóng ngắt của transistor ở điều kiện lý tưởng. IB> 0 : BJT đóng. IB = 0: BJT ngắt.4 Các tính chất động Quá trình dòng collector IC có dạng xung vuông như trên hình H1. Thời gian đóng ton kéo dài khoảng vài µs, thời gian ngắt hơn 10µs.
11 Luan van Hình H1.4: Quá trình chuyển mạch của transistor Quá trình chuyển mạch tạo nên công suất tổn hao do đóng ngắt của transistor. Công suất tổn hao làm giới hạn tần số hoạt động của transistor.Khi đóng ngắt, dòng điện qua transistor lớn và điện áp ở mức cao nên giá trị tức thời của công suất tổn hao lớn. Quá trình chuyển đổi điểm làm việc từ vị trí NGẮT đến vị trí ĐÓNG (hoặc ngược lại) được mô tả như trên hình H1.Quá trình này kéo dài trong thời gian ton hoặc toff.5 Các đại lượng định mức của transistor Định mức điện áp: giá trị điện áp cực đại trên hai cực C, E khi iB= 0 và trên haicực B, E khi iC = 0. Các giá trị này là giá trị tức thời.
Định mức dòng điện: là giá trịcực của các dòng điện iC, iE, và iB. Đó là các giá trịcực đại tức thời của transistor khi đóng trong trạng thái bảo hòa. Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo ra chủyếu trên cực C.Công suất tổn hao làm cho transistor nóng lên.Khi transistor làm việc, nhiệt độ sinh ra trên transistor không được vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép, thường là 1500C.6 Mạch kích và bảo vệ cho transistor a. Điều khiển kích đóng: 12 Luan van Sơ đồ mạch và giản đồ xung kích như trên hình 1.Khi xung điện áp UB được đưa vào, dòng điện qua cổng B bị giới hạn bởi điện trở R1.