Thiết kế,chế tạo bộ Nghịch Lưu công suất (DC - AC) P2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ nghịch lưu công suất 50W

Giảng viên hướng dẫn   : Nguyễn Vũ Thắng

Đơn vị : Khoa Điện-Điện tử

Nhóm Sinh viên thực hiện : Phạm Đình Tiền

Lớp : 112152.2

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ và tên sinh viên: 1 Phạm Đình Tiền

2 Chu Quang Thưởng

Lớp: 112152.2

Chuyên ngành : Điện tử công nghiệp

Tên đề tài : Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu công suất 50W

Số liệu cho trước :

- Các tài liệu, giáo trình chuyên môn

- Công suất 50W

- Nguồn điện một chiều điện áp 12V

Nội dung cần hoàn thành:

1 Trình bày một số phương pháp nghịch lưu thường đùng

2 Nêu phương pháp tính toán lựa chọn các phần tử điều khiển, phần tử công suất.

3 Thiết kế ,chế tạo mạch nghịch lưu nguồn áp một pha đảm bảo kỹ thuật –mỹ thuật

4 Quyển thuyết minh ,các bản vẽ mô tả đầy đủ nội dung của đề tài

Hưng Yên, ngày tháng năm 2018

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Vũ Thắng

Mục Lục

CHƯƠNG 1: TRÌNH BÀY VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHỊCH LƯU TRONG

THỰC TẾ VÀ CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT 7

1.1 Các khái niệm cơ bản về mạch nghịch lưu độc lập 7

1.1.1 Khái niệm 7

1.2 Một số phương pháp nghịch lưu trong thực tế 8

1.2.1 Nghịch lưu dòng 8

1.2.2 Nghịch lưu áp 12

1.3 Giới thiệu về các van bán dẫn công suất 14

1.3.1 DIODE công suất 14

1.4 Transitor trường……….19

1.4.1 Khái niệm………19

1.4.2 Transitor JFET (Junction FET)………22

1.4.3 Transitor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li) ……….25

1.5 MOSFET (Insulated Gate Bipolar Transitor) ……….29

1.5.1 Cấu trúc và ký hiệu……… 29

1.5.2 Nguyên lý làm việc……… 29

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 31

2.1 Sơ đồ khối và mạch nguyên lý tổng quát 31

2.1.1 Sơ đồ khối………31

2.1.2 Sơ đồ nguyên lý tổng quát………32

2.2 Tính toán và thiết kế mạch động lực………33

2.2.1 Tính toán máy biến áp……… 33

2.2.2 Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch………34

2.2.3 Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch MOSFET……… 35

2.2.4 Tính toán tản nhiệt……… 37

2.2.5 Tính chọn cầu chì………37

2.3 Thiết kế mạch điều khiện………37

2.3.2 Thiết kế mạch điều khiển……….38

2.4 Mạch cách ly……… 42

2.5 Sơ đồ nguyên lý, nguyên lý hoạt động………43

2.5.1 Sơ đồ nguyên lý……… 43

2.5.2 Nguyên lý hoạt động……… 44

CHƯƠNG 3: THI CÔNG VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM………45

3.1 Sơ đồ boad mạch……….45

3.2 Sơ đồ chân linh kiện………46

3.3 Hình ảnh thực tế của sản phẩm………47

KẾT LUẬN……… 48

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hưng Yên, ngày tháng năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Vũ Thắng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết

bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều trongcông nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội Trongthực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tầnđược sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng,trong thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiềuthành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động máybay, tàu thuỷ, xe lửa

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tửcông suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại Vì vậy

để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng em

được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo bộ nghịch lưu công suất” V

ới đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiên cứulý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việc hoàn

thiện sản phẩm Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Vũ Thắng cùng

với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ

án của mình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏithiếu sót khi thực hiện đồ án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiếnđánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TRÌNH BÀY VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHỊCH LƯU TRONG THỰC TẾ VÀ CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT

1.1 Các khái niệm cơ bản về mạch nghịch lưu độc lập

1.1.1 khái niệm.

Trong công nghệ, ta thường gặp vấn đề biến đổi điện áp một chiều thành điện xoay chiều

và ngược lại bằng các thiết bị nắn điện Các thiết bị đó được gọi là nghịch lưu

Vậy nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượngxoay chiều Các sơ đồ nghịch lưu được chia làm hai loại: Sơ đồ nghịch lưu làm việc ởchế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều và sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập (vớicác nguồn độc lập như ắc quy, máy phát một chiều ) Nghịch lưu làm việc ở chế độ phụthuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển

Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều đượcđổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở  của các tiristo thoả mãn điều kiện (/2 << ) lúcđó công xuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay chiều.Tần số và điện ápnghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều

Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập(không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý Tần số vàđiện áp nghịch lưu Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu độclập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính

Sơ đồ nghịch lưu lập được chia là ba loại cơ bản:

Nghịch lưu độc lập nguồn dòng là loại nghịch lưu mà được cung cấp từ nguồndòng một chiều.

Nghịch lưu cộng hưởng, khác với hai dạng nghịch lưu trên ở chỗ các quá trìnhxẩy ra trong mạch qua các khoá được đặc trưng bởi nguồn cung cấp và các cuộn cảm được mắc thêm vào hay có sẵn của tải Chính vì thế mà dòng ở mạch tải có dạng gần sin

1.2 Một số phương pháp nghịch lưu trong thực tế

) có dạng xung vuông

Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id Đồng thời, dòng qua tụ

C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bênphải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không

Do iN = iC + iZ = Id = const, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tảităng lên Sau một nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4 Cặp van T

3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-” Dòng phóng ngược

chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1, T2 bị khóa lại Quá trình chuyển mạch xảy ragần như tức thời Sau đó, tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “+” ởbên phải và “-” ở bên trái Dòng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu

Hình 1.1 Sơ đồ một pha có điểm trung tính và biểu đồ xung của sơ đồ cầu một

pha.

Đến thời điểm (t = t2) người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại vàquá trình được lặp lại như trước Như vậy, chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụchuyển mạch cho các tiristor Ở thời điểm t1, khi mở T3, T4, tiristor T1, T2 sẽ bị khóa lạibởi điện áp ngược của tụ C đặt lên

Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1 ÷ t’

1 = tk ≥ toff; toff là thời gian khóa củatiristor hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển

ω.tk = β là góc khóa của nghịch lưu.

b) Ảnh hưởng của điện cảm đầu vào L đối với chế độ làm việc của nghịch lưu:

Dòng điện vào của nghịch lưu (id) ảnh hưởng lớn đối với chế độ làm việc của nó.Dòng đầu vào phụ thuộc vào giá trị của điện cảm Ld.

Hình 1.2 Ảnh hưởng của điện cảm L d đối với chế độ làm việc của nghịch lưu a) L d = ∞; b) L d hữu hạn nhưng dòng I d là liên tục; c) Dòng I d gián đoạn.

Nếu điện cảm vào đủ lớn, dòng điện được san phẳng, nguồn vào thực chất lànguồn dòng Dạng dòng qua tiristor là dạng xung chữ nhật, do đó dòng điện của nghịchlưu cũng là dạng xoay chiều dạng xung chữ nhật, và thời gian khóa (tk) của nghịch lưu làlớn nhất Khi điện cảm đầu vào chiếm một giá trị trung bình nào đó mà vẫn đảm bảodòng là liên tục, lúc này dạng sóng điện nhấp nhô do vẫn chứa các sóng điều hòa bậc cao.Dạng điện áp gần với hình sin hơn, nhưng thời gian khóa của tiristor bị giảm xuống

Khi dòng điện vào là gián đoạn, giá trị điện cảm không đủ để duy trì nguồn lànguồn dòng thì thời gian tk là bé nhất

Đối với nghịch lưu dòng điện, quan trọng nhất là quá trình chuyển mạch củatiristor Phụ tải luôn ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch, do vậy để đảm bảo nghịchlưu làm việc tin cậy thì thời gian tk phải đủ lớn, tức là nguồn đầu vào phải luôn luôn đảmbảo là nguồn dòng

c) Ảnh hưởng của phụ tải đối với với chế độ làm việc của nghịch lưu:

Ta xét trường hợp Ld = ∞ (điện cảm vô cùng lớn)

Hình 1.3 a) Sơ đồ thay thế của nghịch lưu dòng một pha.

b) Ảnh hưởng của tải đối với điện áp.

Ta có phương trình của điện áp trên tải:

Từ phương trình trên ta thấy điện áp trên tải biến thiên theo quy luật hàm mũ cơ

số e Khi thay đổi phụ tải như giảm dòng tải, dòng qua tụ sẽ ít thay đổi vì

du C

dt =I C C =const

(nguồn dòng), do đó điện áp trên tải sẽ có dạng là những đường gầntuyến tính (đường 1 trên hình 1.3 b), góc khóa β = ω.tk ≈ π/2., với tk là thời gian khóa củanghịch lưu

Nghịch lưu dòng không có khả năng làm việc ở chế độ không tải, vì nếu Rt → ∞thì Ut → ∞ và id → ∞ Trên thực tế khi Rt lớn vô cùng thì điện áp trên tải cũng tiến đến giátrị rất lớn, do đó quá trình chuyển mạch không thể thực hiện được, cũng như không cóthiết bị bán dẫn nào chịu đựng nổi độ quá điện áp lớn như vậy

Ngược lại, khi tăng phụ tải (tương đương với việc giảm giá trị Rt), lúc này dòngnạp cho tụ sẽ giảm, ngược lại dòng phóng của tụ qua tải sẽ tăng lên Điều đó dẫn đến

giảm năng lượng tích trữ trong tụ, dạng điện áp trên tải sẽ có dạng gần với hình chữ nhật,nhưng góc β cũng giảm đáng kể và ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch của nghịchlưu (đường 2 hình 1.3 b).

Thời gian tk là thời gian duy trì điện áp ngược đặt lên tiristor Góc khóa β củanghịch lưu phụ thuộc vào tần số, phụ tải và tụ chuyển mạch

Để thỏa mãn điều kiện làm việc của nghịch lưu thì βmin> ω toff

1.2.2 Nghịch lưu áp

1.2.2.1 Nghịch lưu áp một pha

Nghịch lưu áp là thiết bị đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều bapha với tần số tuỳ ý

Nguồn áp là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế Hơn nữa, điện áp ra củanghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóngđiều hoà bậc cao Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất củacác van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ Hơn nữa, việc sử dụng nghịch lưu ápbằng tiristor khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngàynay, công suất các van động lực như: MOSFET, GTO càng trở nên lớn và có kích thướcgọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hoá trongcác bộ biến tần công nghiệp Do đó, sơ đồ nghịch lưu áp được trình bày dưới đây sử dụngvan điều khiển hoàn toàn

Trong quá trình nghiên cứu, ta giả thiết các van động lực là các khoá điện tử lýtưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không

*) Cấu tạo:

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha gồm 4 van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và cácdiode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới và như vậy tránhđược hiện tượng quá áp ở đầu nguồn

Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn hai chiều(nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều).Như vậy, tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn

đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ,

và điện áp đầu vào được san phẳng)

*) Nguyên lý làm việc:

Ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ÷ θ2) cặp van T1, T2 dẫn điện; phụ tải được đấu vàonguồn Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải là Ut = E (hướng dòng điện là đườngnét đậm) Tại thời điểm 0 = θ2, T1 và T2 bị khoá, đồng thời T3 và T4 mở ra Tải sẽ đượcđấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và Ut = -E tạithời điểm θ2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nétđậm) T1, T2 đã bị khoá, nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện động cảm ứngtrên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C (đường nét đứt)

Hình 1.4 Nghịch lưu áp cầu một pha.

Tương tự như vậy, khi khoá cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1, D2 Đồ thịđiện áp tải Ut, dòng tải it, dòng qua diode iD và dòng qua tiristor được biểu diễn như trênhình 1.4

Hình 1.5 Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha.

1.3 Giới thiệu về các van bán dẫn công suất

1.3.1 DIODE công suất

1.3.1.1.Cấu tạo đặc điểm và phân loại:

-Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN Diện tích bề mặt tiếp giáp đượcchế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm2 Mật độ dòngđiện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Do vậy dòng điện định mức của một số loạidiode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như BB2-

1250 Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.6

Hình 1.6: Cấu trúc và ký hiệu của diode công suất

-Điode có 2 loại thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu công suất lớn:

*Diode chỉnh lưu Gecmani (Ge):

Tiếp giáp của diode Ge phần lớn được chế tạo bằng phương pháp làm nóng chảy IN(indi) với nhiệt độ thích hợp, trong bán dẫn Ge loại N Miếng bán dẫn Ge được hàn vớinền bằng thép Tinh thể Ge được đặt trong vỏ bọc hợp kim cova để bảo vệ và liên kết với

bộ phận tản nhiệt

-Đặc điểm của Diode Ge là điện áp chịu đựng được khoảng 400V, nhưng sụt áp trênDiode nhỏ nên được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu điện áp thấp Diode Ge thường bịđánh thủng do nhiệt độ Nhiệt độ cho phép của Diode Ge là 750C, nên khi làm việc ởnhiệt độ cao dòng điện ngược tăng lên đáng kể dẫn đến chất lượng chỉnh lưu thấp, do vậy

ta có thể coi nhiệt độ cho phép là nhiệt độ tới hạn của Diode Ge

*Diode chỉnh lưu silic (Si):

-Diode chỉnh lưu Si được chế tạo bằng cách làm nóng chảy nhôm trong tinh thể Si loại

N, hoặc làm nóng chảy hợp kim thiếc phốt pho, hay vàng antimoan trong tinh thể silicloại P Ngoài ra người ta còn chế tạo bằng phương pháp khuếch tán

Phốt pho vào tinh thể Si loại N Công nghệ chế tạo kiểu khuếch tán thường được áp dụngcho các loại diode công suất lớn

-Tinh thể Si và tiếp giáp P-N được bọc bởi vỏ kim loại, tinh thể bán dẫn được hàn bằng

hợp kim bạc- antimoan hay vàng- antimoan.

- Diode Si có điện áp ngược cho phép cỡ 2500V, nhưng độ sụt điện áp trên Diode Sicũng cao hơn Diode Ge Nhiệt độ cho phép của Diode Si khá cao tmax = 1250C, và hiệntượng đánh thủng chủ yếu cũng là do nhiệt độ.

1.3.1.2.Nguyên lý làm việc và đặc tính vôn – ampe:

-Khi tiếp giáp PN của diode được đặt đưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điệntrường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ được mở rộng ra,nên điện trở tương đương của diode càng lớn và dòng điện xẽ không thể chạy qua Lúcnày toàn bộ điện áp xẽ được đặt lênvùng nghèo điện tích, ta nói rằng diode bị phân cựcngược

-Khi điện trường ngoài ngược chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ bị thuhẹp lại Nếu điện áp bên ngoài lớn hơn 0,65V thì vùng nghèo điện tích xẽ thu hẹp lại đếnbằng không, và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc của diode Dòng điện điqua diode lúc này chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài Khi đó ta nói rằng diodeđược phân cực thuận

vùng nghèo các điện tích

Hình 1.7

Hướng di chuyển các các điện tích

Hình 1.8

*Đặc tính vôn – ampe:

Hình 1.9.đặc tuyến von-ampe của diode

Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ

nhất ứng với UAK  0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với

UAK  0

-Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến vượt quágiá trị UD0 0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòng điện điqua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu như không đổi.-Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến giá trị Ungmax

thì dòng điện qua diode có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng dò Cho đến khi UAK đạt đến giá trịlớn hơn Ungmax thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cản trở dòng điệncủa diode theo chiều ngược bị phá vỡ Đây là hiện tượng diode bị đánh thủng

-Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tínhhóa của diode Biểu thức toán học của đường đặc tính này là:

u = UD0 + iDRD

Trong đó: UD0(V); ID (A); RD ()

-Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép vàđiện áp ngược mà diode chịu được Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương củadiode bằng 0 theo chiều thuận và bằng ∞ theo chiều ngược.

1.3.1.3 Biểu thức giải tích đặc tính V-A

- Đặc tính V-A của diode được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức:

I = Is(e

q U

k T

- 1)

Trong đó: Is - Dòng điện rò khoảng vài trục mA

q - Điện tích của điện tử (q = 1,59.10-19 C)

k - Hằng số Boltzmann (k = 1,38.10-23 J/K)

T = 2730 + t0 - Nhiệt độ nhiệt đối (0K)

t0 - Nhiệt độ môi trường 0C

u – Điện áp đặt trên diode (V)

1.3.1.4 Các tham số cơ bản của Diode

Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, ID Trong quátrình làm việc dòng điện chạy qua diode sẽ làm phát nóng tinh thể bán dẫn của diode.Công suất tổn hao của diode khi đó sẽ bằng tích dòng điện chạy qua nó với điện áp rơitrên diode Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anốt đến catot Điều này có nghĩa làcông suất phát nhiệt tỷ lệ với dòng điện trung bình qua diode, Vì vậy giá trị ID là mộtthông số quan trọng để lựa chọn một diode trong một ứng dụng cụ thể

-Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chiệu đựng được, Ung, max

Ung, max là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được, đâycũng là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode Như ở đặc tính vôn – ampe đãchỉ ra, quá trình diode bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, vì vậy trongcác ứng dụng thực tế khi lựa chọn diode phải luôn đảm bảo UAK<= Ung, max

-Tần số làm việc của diode

Quá trình phát nhiệt trên diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của diode.Trong các khoảng thời gian diode mở ra hoặc khóa lại công suất tổn hao tức thời u(t).i(t)có giá trị lớn hơn luc diode dẫn dòng hoặc lúc đạng bị khóa Vì vậy nếu tần số đóng cắtcao, hoặc trong trường hợp thời gian đóng cắt của diode

So sánh được với khoảng dẫn dòng hoặc khóa thì tổn thất trên diode lại bị quy định chủyếu bởi tần số làm việc chứ không phải chỉ có giá trị dòng điện trung bình Các diodeđược chế tạo để phù hợp với các dải tần số làm việc khác nhau, nên khi lựa chọn diodecần phải quan tâm dến tần số làm việc của diode

-Thời gian phục hồi tr

Trong các bộ biến đổi thường sẩy ra quá trình chuyển mạch giữa các phần tử,nghĩa là quá trình dòng điện chuyển từ một phần tử này sang một phần tử khác Cácdiode khi khóa lại có dòng ngược có thể có biên độ rất lớn để di tản các điện tích ra khỏicấu trúc bán dẫn của mình trong khoảng thời gian tr, gọi là thời gian phục hồi Thời gianphục hồi cũng quyết định tổn thất công suất trong diode Các diode có thời gian phục hồirất ngắn cỡ s, gọi là các diode cắt nhanh Cần phải phân biệt các diode cắt nhanh vớicác diode tần số cao, và tr là một thông số cần quan tâm khi chọn diode

1.4 Transitor trường

1.4.1 Khái niệm

Transitor trường được viết tắt là

FET (Field effect Transitor) là loại

Transitor có tổng trở đầu vào rất lớn

khác với Transitor lưỡng cực BJT

(Bipolar Junction Transitor) loại

NPN hay PNP có tổng trở đầu vào

tương đối nhỏ ở cách lắp ráp thông

thường kiểu E chung

+

U2

Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trường nằm vuông góc vớiđường dòng điện Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928.Nhưng ứng dụngthực tế chỉ xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn khác nhau ra đời Hình 1.10

mô tả nguyên lí làm việc của FET

Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vậtliệu bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bándẫn nêu trên Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn loại N được gọi là bándẫn kênh N Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi là kênh P Sơ đồ dưới đây mô

tả các loại khác nhau của Transitor trường

Các Transitor trường có 3 chân:

Cực máng D (Drain),

Cực nguồn S (Source),

Cực cổng G (Gate)

Các cực của Transitor trường so sánh với Transitor BJC

Cực S tương đương với cực Emitter

Cực G tương đương với cực Base

Cực D tương đương với cực Collector

Mỗi loại Transitor trường có một kí hiệu riêng Nó được tóm tắt trên sơ đồ sau:

Page 20

Khoa Đi n-Đi n t Đ án môn h c ệ ệ ử ồ ọ

Hình 1.11 Các loại Transitor trường

Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109, ởMOSFETs thậm chí khoảng 1015) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitortrường có công suất tổn hao gần bằng không Vì vậy việc ứng dụng Transitor trường rấtrộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs

JFETs

MOSFETs loại kênh liên tục

MOSFETs loại kênh gián đoạn

Hình 1.12 Ký hiệu Transitor trường

MOSFETs (IGFETs) JFETs (PNFETs)

Transitor trường (FETs)

1.4.2.1 Cấu tạo, nguyên lí làm việc

JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối Gọi tắt là FET.JFETcó hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P

Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ Cấu tạo của nó bao gồmcó một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung quanh nó mộtlớp bán dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa ra điện cực là cựcnguồn S (Source), cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate)

Như vậy hình thành một kênh

dẫn điện loại N nối giữa hai cực D

và S, cách li với cực cổng G dùng

làm cực điều khiển bởi một lớp tiếp

xúc bao quanh kênh dẫn Đối với

JFET kênh P thì hoàn toàn tương

tự Ký hiệu và cực tính điện áp

phÂn cực cũng như dòng điện và

đặc tính điều khiển cho các JFET

loại kênh N và kênh P

P

S G

-Dßng ®iÖn tö

Vï ng ch¾n

Hình 1.13 Mặt cắt của một JFET kênh N

1.4.2.2 Nguyên lí hoạt động

Để phân cực JFET kênh N người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS> 0 và U

GS< 0 như hình vẽ hình 1.13 (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ ngượclại sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược) Do tác dụngcủa các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện tử đối vớiloại kênh N) hướng từ cực D tới cực S, được gọi là dòng điện cực máng ID Dòng IĐ có độlớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc mạnh vào cảhai điện trường này Điều này có thể giải thích như sau:

Hình 1.14 Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET kênh N và FET kênh P

Khi đặt điện áp -UGS giữa cực G và cực S (hình 1.2.4-4) thì cả hai tiếp giáp PN đều

bị phân cực ngược Trong chất bán dẫn loại P và N bắtđầu hình thành vùng chắn làm chodòng điện không còn chạy qua được giữa hai vùng tiếp giáp PN phân cực ngược Khivùng chắn cứ rộng mãi ra thì dòng điện trong kênh nhỏ dần đi.Trong kênh gần cựcSource là rộng nhất và phía cực Drain thì nhỏ hơn

Điện áp -UGS càng lớn bao nhiêu thì vùng chắn trong kênh càng lớn bấy nhiêu vàdòng điện chạy trong kênh càng nhỏ đi bấy nhiêu.Độ lớn của điện trở RDS giữa Source vàDrain của JFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp UGS.Như vậy điện áp có thể làm thayđổi được điện trở RDS.Khi các vùng chắn tiếp xúc với nhau thì dòng điện sẽ bị gián đoạn

và kênh lúc này bị thắt lại.Dòng điện ID lúc này sẽ bằng không.Vì tiếp giáp PN phÂn cựcngược nên chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, do đó việc điều khiển dòng điện ID

bằng điện áp -UGS có công suất tổn hao rất nhỏ

Đường đặc tính đầu ra biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện cực máng ID và điện

áp UDS khi UGS bằng hằng số

Khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS Đây làvùng làm việc mà JFET giống như điện trở thuần cho tới lúc đường cong bị uốn mạnh

Vùng bão hoà

Khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu vào UDS và phụ thuộc mạnh vào UGS.Đây làvùng làm việc mà JFET giống như một phần tử khuếch đại, dòng điện ID được điều khiểnbằng điện áp UGS

Vùng đánh thủng

Khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột biến do tiếp giáp PN bị đánh thủng, hiệntượng thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp ngược đặt lên tiếp giáp PN tại vùngnày là lớn nhất

1.4.2.4 Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra:

 Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0

 Đặt U1 ở gái trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số

 Đóng công tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau

 Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UDS

 Mở công tắc S1, chỉnh U2 về không và U1 thay đổi các giá tri khác nhau

 Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS

 Giữ nguyên U2 điều chỉnh thay đổi U1

 Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS

S

A V V