CHƯƠNG I: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT Trong một thời gian dài ứng dụng của Kỹ thuật điện tử chủ yếu là trong lĩnh vực tần số cao, từ những năm 50 ngành Điện tử Công Nghiệp ra đời nhưng ứng dụng của chúng bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất tần số cao, kích thước nhỏ, và đặc biệt là có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thủy ngân không đáp ứng được các yêu câu khắc khe của điều khiển công nghiệp.Từ những năm 60 do sự hoàn thiện của của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán bẫn công suất như Diode, Thyristo, Transistor. Từ những năm70 Kỹ thuật vi mạch và Tin hoc ngày càng phát triển tạo nên những thiết bị điện tử công suất có điểu khiển với tính náng ngày càng phong phú và làm thay đổi tận gốc ngành Kỹ thuật điện. Từ đây kỹ thuật điện và điện tử hòa nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển, “Trong chương này sẽ giới thiệu những linh kiện bán dẫn công suất chủ yếu là Iiode, Transisuar, Thyrisu›, cùng các lình kiện điều khiển chúng.
DIOL È CÔNG SLẤT: Diode do hai lớp vật liệu bán dẫn p-n ghép lại thành. Các điện tử tự do trong bán dẫn n sẽ liền kết với các lỗ tự do của bán dẫn p, do đó phía n sẽ mang điện tích đương và phí p sẽ mang điện tích âm. | Anode | P N | Cathode Hình 1-1. Ky hiéu iA Điện áp rơi Hình 1-2.
Đặc Vé6n- ampe ctia Diode Luận văn Tốt Nghiệp Trang 2 Hình 1-2 trình bày đặc tính Vôn- ampe cửa Diode. Nếu đặt vào p (anode) một điện áp đương so với n (cathode) sẽ có dòng chạy qua và tạo nên một điện áp rơi khoảng 0,7V khi dòng điện định mức. Nếu điện áp ngược lại, các điện tử tự do và lỗ trống bị đẩy xa lớp chuyển tiếp, kết quả chỉ có dòng rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua. Khi tăng tiếp tục điện áp ngược, các điện tích được gia tốc, gây nên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng.
Kết qua Diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều khi điện áp vượt qua điện áp ngược cực đại. Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn Diode là: Đồng điện định mức lạm (A) Điện áp ngược cực đại Uagma;(V) Điện áp rdi ALI (V) H, TRANSISIOR CÔNG SUẤT; Transistor la linh kiện bán đẫn gồm ba lớp npn hay pnp và được biểu diễn trên hình ]-3 và 1-4 Gh Te Gh a b. Ký hiệu Go c Gấc B E Phát Hình 1-4. Ký hiệu Ở chế độ làm việc tuyến tính đòng điện cực góp Ic là hàm số của dòng điện cực gốc Ip , với một điện áp cực góp — phát Uca đã định một biến thiên rất nhỏ của dòng điện gốc dẫn đến sự biến thiên lớn của dòng điện góp, tỉ số giữa hai đồng điện đó vào khoảng từ l5 đến 100.
Hình 1-5 vẽ đặc tính của Transistor loại npn. Luận văn Tốt Nghiệp Trang 3 tne Tps>Ip2> Tai Hình |-5. Đặc tính V-A aia Transistor loai npn. Trong thực tế sử dụng, Transisvzr công suất thường được cho làm việc ở chế độ khóa.
Ở chế độ này, khi d2ng điện gốc bằng không, dòng cực góp bằng không, transistor được xem như h2 mạch. Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bảo hòa, thì transiswr trở về trạng thái đóng hoàn toàn. Transistor là một linh kiện phụ thuộc nén cân phài phối hợp đòng điện gốc với dòng điện góp.Ở trạng thái bảo hòa, để duy trì khã năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đẩu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng. Ở chế độ khóa dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật như dòng, điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp.
a Te | |<Trang thái đóng mạch hay Tc ngdn mach, IB lồn. Te do tdi gidi han Từ ce Trạng thái hở Ji =0 L_——————»yÖUœ Hình 1-6. Trạng thái dẫn và bị khóa Để giảm dòng điện góp ở trạng thái khóa người ta duy trì một điện áp ngược. với giá trị nhổ ở cực gốc như một khóa chuyển mạch, tổn hao công suất trong.
transistor là nhỏ. Tổn hao đó sinh ra do dòng rò nhổ ở trạng thái md, do điện áp bảo hòa (trong hình 1-6) và dòng góp ở trạng thái đóng. Điện áp bảo hòa thông thường của transistor công suất silic khoảng 1,1 V. Luận văn Tốt Nghiệp Trang 4 Các tổn hao chuyển mach cia transistor có thể lớn.
Trong lúc chuyển mạch, điện áp trên các cực và đồng điện của transistor cũng lớn. Tích của điện áp với dòng điện và thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng trong một lần chuyển mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc. Người ta cải thiện hệ số khuếch đại dòng điện của transistor bằng cách lấy đồng gốc từ một transistor khác theo mạch Darlington trình bày như hình 1-7: E E Hình 1-7.
Transisuzr công suất theo sơ đổ Darlington IH.SCR (Sili SCR hoạt động như một cóng tắc bán dẫn cho đòng chạy qua ti anode đến cathode đến tải nếu có tín hiệu cấp cho cực cổng. SCRs khác với một công, tắc thuần túy là SCR đổi từ điện áp AC thành DC ( mach loc ) nếu áp AC được dùng như nguồn cung cấp. Ngoài ra thời gian dẫn của SCR cũng có thể thay đổi nên đòng cung cấp cho tải cũng thay đổi từ zêro đến giá trị lớn nhất của nguồn cung cấp. ies SCR Neudn : Bà HớiMach l-8 €7? ; loại Hình 1-8 mô tả SCR kết nối với trở tải.
SCR có thể làm việc với nhiều nguồn cung cấp khác nhau. Nếu nguồn cung cấp hình 1-8 là điện 4p DC, SCR nguồn sẽ đẫn khi có tín hiệu được kích ở cực cổng. để SCR ngưng dẫn thì ta cắt nguồn cung cấp cung cấp cho SCR, nên nó không được tiện lợi cho lắm. Nếu kỳ khi cho SCR là nguồn xung hay AC thì SCR sẽ tự ngắt ở điểm cuối mỗisẽ chuchỉ dẫn ở điện áp bằng không.
Nếu nguồn cung cấp là điện áp AC thì SCR cho phép qua tải nửa chu kỳ đương của dạng sóng. SCR có thể thay đổi đòng bằng cách thay đổi điểm kích ở cực cổng. Nếu SCR được dẫn, ngay lập bfcnó trễ 90” thì SCR chi sẽ đẫn đòng và áp đầy ở 1⁄2 chu kỳ (180°), Nếu điểm kích trễ 175° , SCR sẽ dẫn ít dẫn xấp xỉ mức đòng và áp đến tải. Nếu điểm kích chủ.
kỳ sẽ tự động tất SCR hơn 10% mức đòng và áp của nguồn đến tải, vì nửa của SCR có thể điều khiển tại điểm 180°. Diéu nay có nghĩa rằng cực cổng mức áp và đòng của tải từ zêro đến max. Luận văn Tốt Nghiệp Trang 5 Anode va cathode ctla SCR được xác định giống như mối nối của Diode. Cực cổng dùng kích giúi Ho ne bic? SCR da cho ah Sboa-vA 4p qua: SER tk anode a SCR được cấu tạo từ bốn lớp pnpn gổm hai transistor như được mô tả ở hình 1- 9 a,b,c,d ANODE GATE CATHODR.
ANODE Ql GATE a GATE o carnove ° Hinh 1-9 a,b,c,d , cathode nối Khi đặt SCR dưới điện áp một chiểu, anode nối vào cực dương J¿ được phân cực. vào cực âm của nguồn điện áp, J¡ và Js được phân cực thuận, ghép 1;. Điện trường nội nghịch. Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ngoài tác động cùng, chiều tại E của J; có chiều từ Nị hướng về P;.
Điện trường mở rộng ra, không có với E, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng điện áp. dong điện chảy qua SCR mặc dù nó bị đặt đưới g. 'U, tác động vào cực G (dương. Mở SCR: nếu cho một xung điện áp dươn ít chúng chay so với cathode), các điện tử từ Nạ chạy sang P›.
Đến đây, một số G-Js-K-G, cdn mach vào nguồn U, và hình thành dòng điều khién I, chy theo hợp của mạch ghép 1a, lao phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tổng động năng lớn lên, bẻ gãy vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc độ, tử mới Số điện các liên kết nguyên tử Si, tạo nên những điện tử tự do mới.trong vùng chuyển nguyên tử Sỉ được giải phóng này lại tham gia bắn phá các ngày càng nhiều điệntử tiếp. Kết quả của phản ứng dây chuyên làm xuất hiện n điện ngoài, gây nên hiện chảy vào Nị qua P¡ và đến cực dương của nguồ dẫn điện, bắt đầu từ một điểm nào tượng dẫn điện ào ạt. 1z trở thành mặt ghép ghép. bộ mặt đó ở xung quanh cực G rồi phát triển toàn bộ ra toàn Luận văn Tốt Nghiệp : „ Trang 6 Khóa SCR: một SCR đã mở thi sự hiện điện của tín hiệu điều khiển (1;) là không còn cần thiết.
Để khóa SCR có hai cách : - Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì I„ ( holding current ) -Đặt một điện áp ngược lên SCR(thường dùng).Khi đặt điện áp ngược lên SCR Uạ <0. hai mat ghép J, va Js phân cực ngược J; phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đáo cực tính Ua« đang có mặt P\, Nị,P;, bây giờ đảo chiều hành tình, tao nên dòng điện ngược chẩy từ cathode về anode, về cực âm của nguần điền áp ngoài. Đác tính V ~ A của SCR: Hình 1-10 Đặc tính V-A của SCR gồm 4 đoạn : ’ qua Đoạn 1: ứng với trạng thái khóa của SCR, chỉ có dong điện rò chảy SCR.
Khi tăng U đến Uạy ( điện áp chuyển trạng thái ), dòng tăng nhanh và chuyển sang trạng thái mỡ, g đoạn này ứng Đoạn 2: ứng với giai đoạn phân cực thuận của J; Tron một lượng giảm lớn với mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với gọi là đoạn điện trở âm. của điện áp đặt lên SCR. Đoạn 2 còn được này cả ba mặt ghép trở Đoạn 3: ứng với trạng thái mở của SCR. Lúc chỉ còn bị hạn chế bởi điện trổ thành dẫn điện.
Dòng điện chảy qua SCR nhỏ khoảng 1V. SCR được giữ ở mạch ngoài. Điện áp rơi trên SCR rất trạng thái mở chừng nào ï còn lớn hon Ip. c, Dòng điện Đoạn 4: ứng với trạng thái SCR bị đặt dưới điện áp ngượ Uz thì dòng điện U đến ngược rất nhỏ, khoảng vài chục mÂ.
Bằng cách cho những ly ngược tăng lên rất nhiều, mặt ghép bị chọc thủng dân đi.