ĐẶC TÍNH CÁC PHẦN TỬ CÔNG SUẤT LỚN
DIODE
1.1.1 Cấu tạo và nguyênlý hoạt động
Diode là một linh kiện điện tử được hình thành từ lớp tiếp giáp giữa hai loại bán dẫn p và n Linh kiện này có hai cực, trong đó cực anode (A) kết nối với lớp bán dẫn P và cực cathode (K) kết nối với lớp bán dẫn N.
Hình 1.2: Diode công suất a Cấu tạo b Ký hiệu c Hình dạng
Do hiệu ứng khuếch tán các phần tử tải điện cơ bản giữa hai miền, tại lớp tiếp xúc sẽ hình thành một hiệu điện thế tiếp xúc Hiệu điện thế này tạo ra từ trường E, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các phần tử tải điện Kết quả là, ở trạng thái cân bằng, tại ranh giới tiếp xúc sẽ xuất hiện vùng nghèo các phần tử tải điện.
Các diode công suất được chế tạo để chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định
Do cấu trúc diode có lớp bán dẫn n - tiếp giáp với lớp p có cấu tạo giống như lớp n nhưng có ít các điện tử tự do hơn.
Vùng trở nên có độ dẫn điện
Hình 1.2 d Phân cực ngược Hình 1.2 e Phân cực thuận Å
Khi nối điện thế ngoài (U) vào diode, nếu kết nối dương (+) với anode và âm (–) với cathode, điện trường ngoài sẽ ngược chiều với điện trường của điện áp tiếp xúc, dẫn đến sự dịch chuyển của các phần tử tải và tạo ra dòng điện thuận qua diode Ngược lại, nếu nối dương (+) với cathode và âm (–) với anode, điện trường ngoài sẽ cùng chiều với điện thế tiếp xúc, làm mở rộng vùng nghèo và ngăn cản sự dịch chuyển của các phần tử tải, chỉ cho phép dòng điện rò qua lớp tiếp xúc.
Trên hình 1.3 mô tả đặc tuyến Volt-Ampe của diode, ứng với nhánh phân cực ngược dòng rò là không đáng kể, nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ
Diode công suất hoạt động với dòng thuận lớn, do đó cần có biện pháp giảm nhiệt hiệu quả Thông thường, một cực tính của diode được thiết kế để dễ dàng kết hợp với tản nhiệt, giúp duy trì hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Các diode công suất trong thiết bị công nghiệp cần có khả năng chịu đựng điện áp ngược lớn, từ vài trăm đến vài ngàn Volt Dòng điện định mức, hay còn gọi là dòng tải chính, thường đạt vài trăm Ampe Đặc tính của diode bao gồm hai phần: đặc tính thuận ở góc phần tư thứ I với UAK > 0 và đặc tính ngược ở góc phần tư thứ III với UAK < 0.
Hình 1.3: Đặc tính Volt-Ampe của diode: a Đặc tính thưc tế b Đặc tính tuyến tính hóa c Đặc tính lý tưởng
Trên đường đặc tính thuận của diode, khi điện áp anode-cathode tăng từ 0 đến ngưỡng U D0 khoảng 0,6 - 0,7V, dòng điện I D bắt đầu chảy qua diode Mặc dù dòng điện có thể thay đổi lớn, nhưng điện áp rơi trên diode UAK gần như không thay đổi, cho thấy diode có điện trở tương đương nhỏ trong chế độ thuận.
Khi điện áp ngược UAK tăng từ 0 đến giá trị tối đa Ung.max, dòng điện qua diode vẫn duy trì ở mức thấp, được gọi là dòng rò (khoảng vài mA) Điều này cho thấy diode có khả năng cản trở dòng điện chạy ngược cho đến khi điện áp UAK đạt đến giá trị này.
Khi điện áp qua diode đạt đến mức đỉnh, hiện tượng dòng điện tăng đột ngột xảy ra, gọi là hiện tượng đánh thủng diode Quá trình này không thể đảo ngược, tức là khi giảm điện áp giữa anode và cathode, dòng điện vẫn không giảm.
Để đơn giản hóa quá trình tính toán, người ta thường áp dụng đặc tính tuyến tính hóa của diode, như thể hiện trong hình 1.3b Tuy nhiên, trong phân tích sơ đồ các bộ biến đổi, đặc tính lý tưởng được sử dụng phổ biến hơn, như mô tả trong hình 1.3c.
Theo lý thuyết lý tưởng, diode cho phép dòng điện lớn chạy qua mà không có sụt áp và chịu được điện áp ngược lớn mà không có dòng rò Điều này có nghĩa là diode lý tưởng có điện trở bằng 0 khi dẫn điện và vô hạn khi không dẫn Tuy nhiên, đặc tính V-A của các diode thực tế sẽ khác nhau, phụ thuộc vào dòng điện tối đa cho phép và điện áp ngược mà diode có thể chịu đựng.
Khác với đặc tính Volt-Ampe tĩnh, đặc tính u(t) và i(t) của diode thể hiện sự biến đổi của điện áp và dòng điện theo thời gian, được gọi là đặc tính động hay đặc tính đóng-cắt Đặc tính đóng-cắt này được minh họa rõ ràng trong hình 1.4.
+ Khoảng t1 diode bắt đầu dẫn dòng Dòng điện ban đầu nạp điện tích cho tụ điện tương đương tiếp giáp p-n
Khi điện tích đạt đủ mức vào khoảng thời gian t2, độ dẫn điện tại tiếp giáp tăng lên, dẫn đến giảm điện trở và điện áp trên diode ổn định ở mức sụt áp khoảng 1-1,5V (Von), lúc này diode hoàn toàn dẫn dòng.
Hình 1.4: Đặc tính đóng cắt của một diode
Khoảng thời gian t3, diode bắt đầu khóa, mặc dù vẫn duy trì phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong lớp tiếp giáp được di chuyển ra ngoài hoàn toàn Thời gian di chuyển này phụ thuộc vào giá trị tăng của dòng ngược dirr /dt và lượng điện tích tích lũy trong diode.
+ Khoảng t4 tiếp giáp p-n phân cực ngược và diode có khả năng ngăn cản dòng điện + Khoảng t5 tụ điện tiếp tục được nạp tới điện áp phân cực ngược
Diện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(t) thể hiện lượng điện tích cần di chuyển ra ngoài, được ký hiệu là Q rr, hay điện tích phục hồi Thời gian phục hồi trr, tính bằng t4 cộng t5, là một thông số quan trọng của diode.
1 Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận (I D )
Diode dẫn dòng điện theo một chiều từ anod đến cathode, do đó công suất phát nhiệt tỷ lệ thuận với giá trị trung bình của dòng điện Vì lý do này, dòng điện ID là yếu tố quan trọng cần xem xét khi lựa chọn diode cho các ứng dụng thực tế.
2 Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được (Ung.max)
THYRISTO (SCR- SILICON CONTROLLED RECTIFIER)
1.2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
Thyristor được cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3 và có ba cực: anode (A), cathode (K) và gate (G) Cấu trúc của thyristor bao gồm một đĩa silic đơn tinh thể loại n, với lớp đệm p và cực điều khiển bằng nhôm Lớp cathode là lớp bán dẫn loại n mỏng với mật độ điện tử cao, cho phép dòng điện thuận tạo ra nhiều điện tử ở lớp điều khiển Lớp điều khiển là bán dẫn loại p mỏng với mật độ trung bình, giúp hầu hết các điện tử từ lớp cathode có thể tới được lớp điều khiển.
J 3 a Cấu trúc b Ký hiệu c Mạch tương đương
Hình 1.5: Cấu tạo và ký hiệu của thyristor
Hình 1.6: Hình dạng bên ngoài thyristor
2 Nguyên lý hoạt động a Kích mở thyristor
Khi thyristor được phân cực thuận với UAK > 0, mặt ghép J1 và J3 phân cực thuận trong khi mặt ghép J2 phân cực ngược, dẫn đến điện áp chủ yếu đặt lên J2 Điện trường nội tại của J2 cùng hướng với điện trường ngoài, làm mở rộng vùng cách điện mà không có dòng chảy qua thyristor Để mở thyristor, có hai phương pháp: phương pháp đầu tiên là tăng điện áp UAK vượt quá Uthmax, nhưng phương pháp này không được khuyến khích do nguy cơ mở thyristor không mong muốn Phương pháp thứ hai là cung cấp một xung dòng điện vào cực điều khiển (UGK > 0), giúp chuyển thyristor từ trạng thái trở kháng cao sang thấp Khi dòng qua thyristor vượt quá giá trị Idt, thyristor sẽ duy trì trạng thái dẫn mà không cần xung điều khiển Khi cấp dòng vào cực điều khiển, các điện tử từ vùng N di chuyển sang vùng P, tạo ra dòng điều khiển Ig và gia tăng số lượng điện tử tự do mới Hiện tượng này dẫn đến sự dẫn điện mạnh mẽ ở mặt ghép J2, bắt đầu từ quanh cực G và lan ra toàn bộ mặt ghép Khi dòng IAK tăng, các điện tử tiếp tục bắn phá mặt ghép J2, khiến nó không thể khôi phục tính chất cách điện Nếu dòng điện qua thyristor giảm xuống dưới mức duy trì, số lượng điện tích không đủ để duy trì tính dẫn điện của mặt ghép J2.
J2kết quả là mặt ghép sẽ khôi phục dần tính chất cách điện Thyristor trở về trạng thái khoá. b Kích khoá thyristor
Khi thyristor đã được kích hoạt, tín hiệu điều khiển Ig không còn cần thiết Để khóa thyristor, có hai phương pháp: phương pháp đầu tiên là giảm dòng điện qua thyristor xuống dưới giá trị dòng duy trì.
Để đặt một điện áp ngược lên thyristor, mặt ghép J1 và J3 sẽ bị phân cực ngược trong khi J2 được phân cực thuận Khi điện áp ngược được áp dụng, các điện tử tại P1, N1, P2 sẽ đảo chiều, tạo ra dòng điện ngược chảy từ K về A Dòng điện ngược này ban đầu lớn nhưng sau đó giảm dần khi mặt ghép J1 và J3 trở nên cách điện Dòng điện ngược cũng di chuyển các điện tích ra khỏi mặt ghép J2 và nạp điện cho hai tụ điện tương đương của J1 và J3 Thời gian khoá của thyristor được tính từ khi dòng điện ngược bắt đầu cho đến khi nó bằng không, khoảng thời gian này, từ 5μs đến 50μs cho thyristor tần số cao và từ 50μs đến 200μs cho thyristor tần số thấp, là thời gian mà nếu có điện áp thuận được đặt lên thyristor thì nó vẫn không thể mở.
1.2.2 Đặc tính V-A Đặc tính vôn - ampe của một thyristor gồm 2 phần hình 1.7 Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ nhất là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK >0; phần thứ 2 nằm trong góc phần tư thứ III gọi là đặc tính ngược tương ứng với trường hợp UAK 0, chỉ có dòng rò chảy qua thiết bị Trong tình huống này, điện trở tương đương giữa anode và cathode vẫn duy trì giá trị lớn, và tiếp giáp J1 vẫn giữ vai trò quan trọng trong hoạt động của thyristor.
Khi J3 phân cực thuận và tiếp giáp với J2 phân cực ngược, điện áp U AK được tăng đến U thmax sẽ dẫn đến sự giảm đột ngột điện trở tương đương giữa mạch anode-cathode Dòng điện qua thyristor lúc này chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu dòng điện vượt quá mức tối thiểu gọi là dòng duy trì (Idt), thyristor sẽ chuyển sang trạng thái dẫn dòng nhanh chóng, tương tự như đặc tính thuận của diode Trong trạng thái mở, cả ba mặt ghép của thyristor đều dẫn điện, và dòng điện qua thyristor phụ thuộc vào tải bên ngoài với điện áp rơi chỉ khoảng 1-2V Thyristor sẽ được giữ ở trạng thái mở khi dòng điện qua nó lớn hơn dòng duy trì Idt.
Khi có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và cathode, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giá trị tối đa (UB0) Với các giá trị dòng điều khiển khác nhau như IG1, IG2, IG3 > 0, ta sẽ nhận được một tập hợp đường đặc tính V-A với các Uth ngày càng nhỏ hơn Khi IG vượt quá IGmax, đường đặc tính thuận sẽ tương tự như đặc tính của diode.
Khi UAK nhỏ hơn, điểm chuyển mạch đặc tính làm việc sẽ xảy ra ở mức lớn hơn Đoạn 4 tương ứng với trạng thái phân cực thuận của mặt ghép J2, nơi mà một sự tăng nhỏ của dòng điện dẫn đến một sự giảm lớn của điện áp trên thyristor Đoạn này được gọi là đoạn điện trở âm và không có điểm làm việc ổn định nào tồn tại trong đoạn này.
Quá trình tăng dòng trong thyristor bắt đầu sau thời gian t1, phụ thuộc vào biên độ dòng xung ban đầu Igmax, dao động từ 0,1-2ms Trong giai đoạn đầu, dòng qua thyristor tăng đến giá trị dòng chốt, thường bằng 0,1Idm Sau đó, dòng điện tiếp tục tăng và đạt giá trị ổn định sau thời gian t2 Khi thyristor dẫn, dòng điện điều khiển có thể giảm.
2 Quá trình ngắt thyristor Được tổng hợp từ 3 giai đoạn: Giai đoạn tăng dòng ngược (t 3 ), giai đoạn giảm dòng ngược về 0 (t 4 ), giai đoạn phục hồi tính nghịch của thyristor (t5) Chỉ sau khoảng thời gian tr = t3 + t4+ t5 thì trên hai cực của thyristor mới có thể đặt một điện áp thuận tr thời gian ngắt an toàn của thyristor: là khoảng thời gian từ khi dòng thuận trở về 0 cho đến khi xuất hiện điện áp khoá thuận mà thyristor không bị đóng lại khi chưa có tín hiệu xung điều khiển ig u T igmax t 1 t d t 3 t 4 t 5 t q i T t t t 0,1U T t 2
Hình 1.8: Đặc tuyến đóng cắt của thyristor
1 Giá trị dòng cho phép chạy qua thyristor (Iv) Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị cho phép Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường
2 Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung.max) Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kì thời điểm nào điện áp UAK luôn nhỏhơn hoặc bằng Ung.max Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó
TRIAC
1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
1 Cấu tạo và ký hiệu
Triac là một phần tử bán dẫn có cấu trúc p-n-p-n với năm lớp, cho phép dẫn dòng điện theo cả hai chiều giữa các cực MT2(T2) và MT1(T1) Hình 1.9a minh họa cấu trúc của triac, trong khi hình 1.9c thể hiện kí hiệu của nó trên sơ đồ Về nguyên tắc, triac có thể được xem như hai thyristor đấu song song ngược, như được mô tả trong hình 1.9b.
Hình 1.9: Cấu trúc và ký hiệu a Sơ đồ cấu trúc b Sơ đồ tương đương c Ký hiệuTriac
2 Nguyên lý làm việc Đưa một xung dương hoặc một xung âm vào cực điều khiển sẽ kích dẫn triac Điện áp trên các cực MT2 và MT1 có thể dương hoặc âm Có bốn chế độ mồi tùy theo cực tính của MT2và G so với MT 1 Điều này tương ứng với bốn góc phần tư của mặt phẳng MT 2 và
+ Góc phần tư thứ nhất: Điện áp MT2 dương, dòng điều khiển dương Triac được mồi như thyristor thường, do đó MT2 sẽ là anode, MT1 là cathode
Trong góc phần tư thứ hai, điện áp MT2 dương và dòng điều khiển âm dẫn đến việc thyristor P1N2P2N4 vẫn hoạt động Chuyển tiếp P2N2 bị phân cực ngược, trong khi P2N3 phân cực thuận, khiến vùng N3 trích xuất các điện tử từ P2 và tạo ra hiệu ứng thác tại P2N2 gần N3 Sự giảm điện trở silic trong vùng này làm cho điện thế của P2 xung quanh N3 gần bằng điện thế MT2 Đồng thời, bên trái chuyển tiếp P2N4 phân cực thuận, vùng N4 cũng gửi các điện tử vào P2, gây ra hiệu ứng thác trong toàn bộ chuyển tiếp P2N2.
+ Góc phần tư thứ 3: Điện áp MT2 âm, dòng điều khiển âm Thyristor bây giờ là
Dòng điều khiển vùng N3 ảnh hưởng đến việc trích xuất các điện tử trong P2, với một bộ phận điện tử nằm trong vùng điện tích không gian của chuyển tiếp P2N2 Các điện tử này bị đẩy về N2 do tác động của trường bên trong vùng này Dòng điện ngược của chuyển tiếp N2P1 đóng vai trò như một vùng điều khiển bổ sung, tạo ra thác Do đó, MT1 được xác định là anot và MT2 là catot.
Trong góc phần tư thứ tư, điện áp MT2 âm và dòng điều khiển dương khiến thyristor P2N2P1N1 vẫn duy trì dẫn Các điện tử đảm bảo rằng dòng điện ngược của chuyển tiếp N2P1 hiện đang được duy trì bởi phía trái của chuyển tiếp N4P2 có phân cực thuận.
Dòng điều khiển tối thiểu cần để mồi triac thay đổi tùy theo các góc phần tư, với góc phần tư thứ I và III yêu cầu dòng điều khiển nhỏ nhất.
Hình 1.10: Chếđộ kích dẫn triac
1.3.2 Đặc tính Volt-Ampe (V-A) Đặc tính Volt-Ampe của triac gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor như được biểu diễn trên hình 1.11
Hình 1.11: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có khả năng điều khiển dòng điện bằng cả xung dòng dương và xung dòng âm Điều này cho phép triac mở dòng điện thông qua việc nhận tín hiệu từ cực điều khiển, giúp cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt trong các ứng dụng điện tử.
T2 cần phải lớn hơn một giá trị xác định và hiệu quả hơn khi sử dụng dòng điều khiển âm để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac Triac rất hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều cũng như trong các công tắc tơ tĩnh với dải công suất vừa và nhỏ.
1.4 TRANSITOR CÔNG SUẤT, BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSITOR)
1.4.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
Transistor là một linh kiện bán dẫn cấu tạo từ ba lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo ra hai tiếp giáp p-n (JE, JC) Lớp tiếp xúc JE được phân cực theo chiều thuận để thu hút điện tử về vùng Base, trong khi lớp tiếp xúc JC được phân cực theo chiều nghịch để thu hút điện tử về vùng Collector.
Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor - BJT) là một loại linh kiện điện tử có cấu trúc bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương BJT có ba cực: Base (B), Collector (C) và Emitter (E), và thường được sử dụng dưới dạng bóng ngược Hình 1.12 minh họa cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-C và C-E.
Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc và ký hiệu của BJT loại NPN
Mỗi lớp có khả năng phân cực theo hai chiều dưới tác động của điện thế bên ngoài Khi dòng collector IC đi qua lớp bị phân cực nghịch, nó chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ dòng kích IB dẫn qua lớp phân cực thuận.
Khi U BE > 0 và U CE > 0, lớp tiếp xúc BE sẽ phân cực thuận, cho phép điện tử tự do từ emitter di chuyển vào base Do base có rất ít lỗ trống, chỉ khoảng 1% điện tử tự do kết hợp với các lỗ trống, trong khi 99% còn lại chạy đến collector, tạo ra dòng điện trong transistor Đồng thời, điện tích lỗ trống từ collector cũng di chuyển vào vùng base.
Lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp JE và JC Trong lĩnh vực điện tử công suất, BJT được sử dụng chủ yếu như một phần tử khoá Để mở dòng điều khiển, cần đảm bảo điều kiện IB > IC/β hoặc IB = kbh IC/β.
Hệ số bão hoà kbh được xác định trong khoảng 1,2 đến 1,5, khi đó transistor BJT hoạt động trong chế độ bão hoà Ở chế độ này, điện áp giữa cực C và E rất thấp, chỉ khoảng 1 – 1,5V, được gọi là điện áp bão hoà UCebh.
MOSFET (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD – EFFECT)
1.5.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
1 Cấu trúc Ðây là loại transistor trường có cực cửa cách điện với kênh dẫn điện bằng một lớp cách điện mỏng Lớp cách điện thường dùng là chất oxit nên ta thýờng gọi tắt là transistor trường loại MOS Tên gọi MOS được viết tắt từ ba từ tiếng Anh là: Metal - Oxide - Semiconductor Transistor trường MOS có hai loại: transistor MOSFET có kênh sẵn và transistor MOSFET kênh cảm ứng Trong mỗi loại mosfet này lại có hai loại là kênh dẫn loại P và kênh loại N
Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Transistor trường loại MOS kênh cảm ứng, hay còn gọi là MOSFET chế độ giàu (E-MOSFET), được chế tạo mà không cần kênh dẫn Nhờ công nghệ chế tạo đơn giản, MOSFET kênh cảm ứng trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử.
Hình 1.15a, b mô tả cấu trúc của mosfet kênh dẫn kiểu n, trong đó G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn bởi lớp điện môi mỏng dioxit-silic (SiO2) có độ cách điện cao Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D), với cực máng đóng vai trò là nơi tiếp nhận các hạt mang điện.
Hình 1.15: Mosfet (kênh dẫn n): a Cấu trúc bán dẫn b Ký hiệu
Khi kênh dẫn là loại n, các hạt mang điện chủ yếu là điện tử (electron), dẫn đến cực tích điện áp của cực máng dương so với cực gốc Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p tương tự, nhưng có kiểu dẫn điện ngược lại Tuy nhiên, hầu hết các MOSFET công suất hiện nay đều thuộc loại kênh dẫn kiểu n.
Hình 1.16 minh họa quá trình hình thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET Trong chế độ hoạt động bình thường khi uDS > 0 và điện áp giữa cực điều khiển và cực nguồn uGS = 0, kênh dẫn sẽ không được hình thành hoàn toàn Giữa cực nguồn và cực máng sẽ xuất hiện tiếp giáp p-n với phân cực ngược, và điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này (hình 1.16a).
Khi điện áp điều khiển âm (uGS < 0), bề mặt giáp cực điều khiển tích tụ các lỗ p, dẫn đến việc không có dòng điện giữa cực nguồn và cực máng Ngược lại, khi điện áp điều khiển dương (uGS > 0) và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp tích tụ các điện tử, hình thành một kênh dẫn thực sự Trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các hạt mang điện chủ yếu là điện tử, tương tự như lớp n ở cực máng, điều này khiến MOSFET trở thành phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với cấu trúc của BJT.
IGBT và thyristor là các linh kiện điện tử sử dụng hạt mang điện phi cơ bản Dòng điện giữa cực máng và cực nguồn phụ thuộc vào điện áp uDS.
Cấu trúc bán dẫn của MOSFET cho thấy sự tồn tại của một tiếp giáp p-n giữa cực máng và cực nguồn, tương đương với một diode ngược nối giữa D và S.
S Trong các sơ đồ của các bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các diode mắc song song với các van bán dẫn Như vậy, ưu điểm của mosfet là đã có sẵn một diode nội tại
Hình 1 16: Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET kênh N
Vùng bão hòa Vùng tích cực i D
Mosfet, giống như BJT, có hai vùng làm việc chính là vùng tuyến tính và vùng bão hòa, với vùng điện trở nhỏ giữa Drain và Source Trong các chế độ này, mosfet và BJT hoạt động tương tự nhau Đặc tính V-A của mosfet được chia thành ba vùng khác nhau.
Chế độ cắt (Cutoff mode) xảy ra khi điện áp UDS nhỏ hơn điện áp ngưỡng UTh với thông số ID = 0 Trong vùng này, MOSFET hoạt động ở chế độ ngắt, nghĩa là không có dòng điện đi qua, và UTh là điện áp đóng của MOSFET.
In triode mode, also known as linear active mode, the condition UDS < UGS - UTh indicates that the MOSFET is in the conductive region, allowing current to flow from the Drain to the Source The drain current (ID) is directly proportional to the UDS voltage With a high ID and a low Drain voltage, the MOSFET effectively functions as a switch, enabling precise control over electrical signals.
- Saturation -Vùng bão hòa: UDS>UGS-Uth Dòng điện Drain ID hầu như không đổi khi điện áp UDS tăng và mosfet hoạt động như một khâu khuếch đại
1.5.3 Đặc tính đóng cắt của mosfet
Mosfet là một linh kiện điện tử với các hạt mang điện cơ bản, cho phép đóng cắt với tần số rất cao Để đạt được thời gian đóng cắt ngắn, việc điều khiển mosfet trở nên cực kỳ quan trọng Thời gian đóng cắt của mosfet bị ảnh hưởng bởi các tụ điện kí sinh giữa các cực, do đó cần chú ý đến cơ chế này khi thiết kế mạch.
Hình 1.18: Mô hình một khoá mosfet a) Các thành phần tụ ký sinh giữa cáclớp bán dẫn trong cấu trúc mosfet b) Mạch điện tương đương
Hình 1.18a minh họa các thành phần tụ điện ký sinh trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, trong đó tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc CGS cần được nạp đến điện áp U để dòng cực máng có thể xuất hiện Tụ giữa cực điều khiển và cực máng CGD có ảnh hưởng đáng kể đến giới hạn tốc độ đóng cắt của MOSFET Hình 1.18b trình bày sơ đồ tương đương của MOSFET cùng với các tụ ký sinh tương ứng.
Hình 1.19: Sự phụ thuộc của tụđiện giữa (C GD ) vào điện áp U DS
Các tụ điện có giá trị thay đổi theo mức điện áp, với CGD phụ thuộc vào điện áp UDS, giữa giá trị thấp CGDI và giá trị cao CGDH Để xác định công suất cho mạch điều khiển mosfet, tài liệu kỹ thuật thường cung cấp thông số điện tích nạp cho cực điều khiển QG (đơn vị culông, C) dưới điện áp UDS(OFF) nhất định Công suất mạch điều khiển được tính bằng công thức: Pđiều khiển = UDS.QG.fSW.
Trong đó fSWlà tần số đóng cắt của mosfet
Tổn hao công suất do quá trình đóng cắt trên mosfet được tính bằng:
PSW=1/2.UDS.ID.fSW.(tON + tOFF)
GTO (GATE TURN-OFF THYRISTOR)
- THYRISTOR KHÓA ĐƯỢC BẰNG CỰC ĐIỀU KHIỂN
Thyristor được sử dụng phổ biến trong các sơ đồ chỉnh lưu, từ công suất nhỏ vài kW đến hàng trăm MW, nhờ khả năng tự khoá dưới điện áp lưới Tuy nhiên, trong các ứng dụng như bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc bộ nghịch lưu, thyristor phải chịu điện áp một chiều liên tục, dẫn đến việc không còn khả năng khoá tự nhiên Do đó, việc sử dụng thyristor trong những trường hợp này yêu cầu các mạch chuyển mạch cưỡng bức phức tạp, gây tổn hao công suất lớn và giảm hiệu suất của các bộ biến đổi.
Thyristor khoá được bằng cực điều khiển, hay GTO (Gate Turn-off thyristor), là loại thyristor có cấu trúc đặc biệt cho phép cực điều khiển G thực hiện đồng thời hai chức năng quan trọng: kích dẫn và kích khóa.
1.6.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc
Các GTO là loại van điều khiển có khả năng chủ động khóa theo tín hiệu điều khiển, cho phép đóng cắt điện áp cao tương tự như thyristor, nhưng được điều khiển bằng tín hiệu công suất nhỏ.
Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với thyristor, với dòng điện vào cực điều khiển để mở GTO và dòng điện ra khỏi cực điều khiển giúp di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn, từ đó khóa GTO lại.
Hình 1.21: GTO a Cấu trúc bán dẫn; b Ký hiệu
Khi không có dòng điều khiển, nếu anode có điện áp dương hơn cathode, toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2, tương tự như cấu trúc của thyristor Ngược lại, nếu cathode có điện áp dương hơn anode, tiếp giáp p + - n ở anode sẽ bị đánh thủng ở điện áp rất thấp, cho thấy GTO không thể chịu được điện áp ngược.
GTO (Gate Turn-Off Thyristor) được điều khiển bằng xung dòng điện vào cực điều khiển, tương tự như thyristor thông thường Dòng điện kích đóng tăng đến giá trị IGmax và sau đó giảm xuống IG, nhưng do cấu trúc bán dẫn khác nhau, dòng duy trì và biên độ ở GTO cao hơn so với thyristor thông thường Để khoá GTO, cần một xung dòng điện âm lớn vào giữa cực điều khiển và cathode với độ dốc lớn hơn giá trị quy định, giúp đẩy các hạt mang điện ra khỏi cathode Khi van dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa nhiều điện tích, tạo vùng dẫn điện cho phép điện tử di chuyển từ cathode vùng n+ đến anode vùng p+, tạo nên dòng anode Việc lấy đi điện tích qua cực điều khiển làm giảm dòng anode cho đến khi bằng không Dòng điều khiển cần duy trì trong thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá Yêu cầu về xung điều khiển là xung dòng khoá GTO phải có biên độ khoảng 20-25% biên độ dòng anode-cathode và độ dốc sườn xung rất lớn, khoảng 0,5 đến 1 µs.
K G a Yêu cầu dạng xung điều khiển b Nguyên lý thực hiện
Hình 1.22: Nguyên lý điều khiển GTO
1.6.2 Đặc tính đóng cắt GTO
Quá trình mở của GTO bao gồm thời gian trễ đóng (tgd) và thời gian tăng dòng (tgr), trong đó điện áp giảm xuống 10% so với giá trị ban đầu Tổng thời gian này được gọi là thời gian đóng (tgt) Để tối ưu hóa thời gian đóng và giảm tổn hao, dòng điều khiển trên cực điều khiển cần có tốc độ thay đổi lớn hơn 5A/μs ngay từ đầu.
Hình 1.23: Đặc tính mở GTO
Quá trình khóa GTO diễn ra chậm rãi và được chia thành hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu tiên, dòng điện qua GTO giảm từ 10-20% so với giá trị ban đầu Giai đoạn thứ hai chứng kiến sự giảm dòng điện diễn ra chậm hơn, với thời gian kéo dài đáng kể so với giai đoạn đầu.
1 Dòng trên cực điều khiển phải có giá trị âm và phải có biên độ khá lớn và gia tốc phải đạt giá trị di/dt > 20A/s Đối với GTO hiện tại biên độ dòng ngắt có giá trị bằng 30% biên độ dòng anode Để giảm tổn hao khi đóng ngắt và bảo vệ GTO người ta cũng thường sử dụng mạch snubber
Hình 1.24: Đặc tính khóa GTO
1.6.3 Thông sốcơ bản của GTO
1 Dòng điện trung bình qua GTO (I T(AV) )
2 Điện áp ngược đỉnh cực đại cho phép (VRRM)
3 Điện áp rơi trên GTO khi làm việc với dòng trung bình
5 Dòng điện trung bình kích mở thuận
6 Dòng điện trung bình trong mạch G-K để duy trì trạng thái mở
7 Điện áp ngược đặt vào cực G để khoá GTO
8 Điện áp ngược cần thiết đặt vào cực G để duy trì trạng thái GTO khi đã khóa
9 Dòng điện cực đại trong mạch G-K
IGBT (INSUALATED GATE BIPOLAR TRANZITOR)
- TRANZITO CÓ CỰC ĐIỀU KHIỂN CÁCH LY
1.7.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
IGBT là linh kiện kết hợp ưu điểm của MOSFET với khả năng chịu tải lớn của transistor thông thường, cho phép đóng cắt nhanh Về mặt điều khiển, IGBT hoạt động tương tự như MOSFET, được điều khiển bằng điện áp, do đó yêu cầu công suất điều khiển rất nhỏ Hình 1.25 minh họa cấu trúc bán dẫn của IGBT.
Hình 1.25: IGBT a.Cấu trúc b Cấu trúc tương đương c Sơ đồ tương đương d Ký hiệu
Cấu trúc bán dẫn IGBT tương tự như MOSFET, nhưng có thêm một lớp p nối với collector, tạo nên cấu trúc p-n-p IGBT có thể được xem như một transistor NPN, trong đó dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET.
Kích hoạt IGBT được thực hiện thông qua xung điện áp tại cực G Khi điện áp điều khiển UGE lớn hơn 0, kênh dẫn hình thành các hạt mang điện tương tự như trong cấu trúc MOSFET Các điện tử di chuyển về phía collector của transistor, tạo ra dòng collector và cho phép IGBT dẫn điện.
Kích khóa IGBT có thể thực hiện bằng cách khóa điện thế cấp cho cực điều khiển để ngắt kênh dẫn p
1.7.2 Đặc tính đóng cắt của IGBT
IGBT có cấu trúc p-n-p, dẫn đến điện áp thuận giữa C và E thấp hơn so với MOSFET, nhưng thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn, đặc biệt khi khóa lại Cấu trúc của IGBT tương đương với một MOSFET và một transistor p-n-p, với dòng qua IGBT gồm hai thành phần: i1 (dòng qua MOSFET) và i2 (dòng qua transistor) MOSFET trong IGBT có thể khóa nhanh nếu xả hết điện tích giữa E và G, khiến i1 bằng 0 Tuy nhiên, i2 không thể giảm nhanh do điện tích trong lớp n chỉ có thể mất đi qua quá trình tự trung hòa Điều này tạo ra vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT Quá trình mở và khóa IGBT sẽ được khảo sát qua sơ đồ thử nghiệm, trong đó IGBT đóng cắt tải cảm có diode D0 mắc song song, được điều khiển bởi tín hiệu với biên độ UG qua điện trở RG, cùng với các tụ ký sinh Cge và Cgc giữa cực điều khiển và collector, emitter.
Hình 1.26: Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT
Quá trình mở IGBT tương tự như ở mosfet, khi điện áp điều khiển đầu vào tăng từ 0 đến giá trị U G Trong thời gian trễ mở I d(on), tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ C gc, làm điện áp giữa cực điều khiển và emitơ tăng theo quy luật hàm mũ, từ 0 đến ngưỡng U GE(th) (khoảng 3 đến 5V) Chỉ khi đạt ngưỡng này, mosfet trong cấu trúc IGBT mới bắt đầu mở Dòng điện giữa colector và emitter tăng tuyến tính từ 0 đến dòng tải I 0 trong thời gian t r, trong khi điện áp giữa cực điều khiển và emitter đạt giá trị U GE, xác định dòng I 0 qua colector.
Do diode D0 còn đang dẫn dòng tải I 0 nên điện áp U CE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn
Trong quá trình mở IGBT, diễn ra qua hai giai đoạn t tv1 và t tv2, điện áp giữa cực điều khiển được giữ ổn định ở mức U GE.Io (miller) để duy trì dòng I0 Trong giai đoạn đầu, diode D0 thực hiện quá trình khoá và phục hồi, tạo ra xung dòng phục hồi trên mức I0 của IGBT, đồng thời điện áp U CE bắt đầu giảm IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang vùng bão hoà Giai đoạn 2 tiếp tục giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector, đưa điện trở giữa collector-emitter về giá trị Ron khi khoá hoàn toàn, với UCE.on = I0Ron.
Sau khi tụ Cgc đã phóng điện hoàn toàn, điện áp giữa cực điều khiển và emitter sẽ tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian được xác định bởi tích của Cgc và RG, cho đến khi đạt giá trị tối đa UG.
Hình 1.27: Quá trình mở IGBT
Tổn hao năng lượng khi mở được tính gần đúng bằng:
Nếu tính thêm ảnh hưởng của quá trình phục hồi của diode D0 thì tổn hao năng lượng sẽ lớn hơn do xung dòng trên dòng colector
Quá trình khoá được thể hiện qua dạng điện áp và dòng điện như trong hình 1.28 Khi điện áp điều khiển giảm từ U G xuống -UG, quá trình khoá bắt đầu Trong khoảng thời gian trễ t d(off), tụ đầu vào C gc phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian Cgc RG cho đến khi đạt mức điện áp Miller Khi điện áp đạt mức Miller, điện áp giữa cực điều khiển và emitơ được giữ ổn định nhờ vào sự gia tăng của điện áp Ucc, dẫn đến việc tụ Cgc bắt đầu nạp điện Lúc này, dòng điều khiển hoàn toàn chuyển thành dòng nạp cho tụ Cgc, giữ cho điện áp UGE không đổi.
Trong quá trình khóa IGBT, điện áp Ucc tăng từ giá trị bão hòa Uccon đến giá trị điện áp nguồn Udc trong khoảng thời gian trv Khi kết thúc khoảng thời gian này, diode D0 bắt đầu mở ra cho dòng tải I0, dẫn đến sự giảm dòng collector Quá trình giảm này diễn ra qua hai giai đoạn: tfi1 và ti2 Ở giai đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT giảm nhanh chóng về không, và điện áp Ugc giảm xuống mức điều khiển UG với hằng số thời gian Rg(Cgc + Cgc) Cuối giai đoạn tfi1, Ugc đạt ngưỡng khóa của MOSFET, UGE(th), cho thấy MOSFET đã bị khóa hoàn toàn Trong giai đoạn hai, thành phần dòng i2 của transistor p-n-p bắt đầu giảm, và quá trình này có thể kéo dài do các điện tích trong lớp n chỉ mất điện thông qua quá trình tự trung hòa Tổn hao năng lượng trong quá trình khóa có thể được tính gần đúng bằng: off dc off U I t.
Lớp n trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn nhờ vào sự tích tụ của các điện tích thiểu số, làm giảm đáng kể điện trở Tuy nhiên, các điện tích này không thể di chuyển ra ngoài một cách chủ động, dẫn đến việc tăng thời gian khoá của phần tử Do đó, công nghệ chế tạo IGBT phải đạt được sự thoả hiệp; mặc dù thời gian mở tương đương với MOSFET, nhưng thời gian khoá của IGBT lại dài hơn, dao động từ 1 đến 5 µs.
Thời gian khoá của IGBT có thể được rút ngắn bằng cách thêm một lớp đệm n + trong cấu trúc Punch Through IGBT, như minh hoạ trong hình 1.29 Cấu trúc này bao gồm một thyristor ký sinh với ba tiếp giáp bán dẫn J1, J2, J3 Mật độ điện tích dương và lỗ trống suy giảm mạnh từ lớp p + đến n - và n +, giúp quá trình trung hoà điện tích dương trong lớp n - diễn ra nhanh chóng hơn Công nghệ này cho phép sản xuất các IGBT cực nhanh với thời gian khoá dưới 2µs.
Hình 1.28: Cấu trúc bán dẫn của IGBT cực nhanh (Punch Through IGBT)
1.7.3 Các thông sốcơ bản của IGBT
1 UCES - Điện áp cực đại CE khi GE ngắn mạch.
2 UGES - Điện áp GE cực đại cho phép khi CE ngắn mạch
3 IC- Dòng điện một chiều cực đại là dòng điện một chiều cần thiết để nhiệt độ cực đại của chuyển tiếp không quá 150 0 C, nhiệt độ vỏ 25 0 C
4 ICmax - Dòng điện đỉnh của colector; là dòng điện cực đại quá độ mà IGBT có thể chịu được có giá trị cao hơn dòng IC
5 Pm - Công suất tổn hao cực đại là công suất tiêu tán lớn nhất cho phép khi nhiệt độ chuyển tiếp không quá 150 0 C, nhiệt độ vỏ 25 0 C
6 TCP - Nhiệt độ cho phép của chuyển tiếp khi làm việc
7 IL - Dòng điện tải cảm cực đại;
9 UGEng - Điện áp ngưỡng GE là điện áp GE khi IGBT đóng để dẫn dòng điện colector Điện áp ngưỡng có hệ số nhiệt âm
10 Thời gian trễ khi đóng td: là thời gian giữa 10% điện áp cổng đến 10% dòng colector cuối cùng.
GHÉP VÀ BẢO VỆ CÁC VAN BÁN DẪN CÔNG SUẤT
1.8.1 Ghép các linh kiện điện tửcông suất
1 Ghép song song các linh kiện điện tử công suất
Khi dòng điện vượt quá trị số định mức của linh kiện điện tử công suất, cần phải nối song song các linh kiện Tuy nhiên, do sự khác biệt về thông số giữa các linh kiện, việc phân bố dòng điện sẽ không đều Để đảm bảo dòng điện được phân bố đồng đều trong các linh kiện, chúng ta có thể áp dụng một số biện pháp kỹ thuật.
Sử dụng cuộn dây cân bằng giúp điều chỉnh chênh lệch dòng điện trong các nhánh song song, tạo ra điện áp cảm ứng trong từng cuộn dây và cân bằng sức điện động Tuy nhiên, giải pháp này có nhược điểm là làm tăng kích thước thiết bị và chi phí.
Để khắc phục sự sai khác về đặc tính của các diode làm việc song song, có thể thêm điện trở tạo nên điện áp rơi (R.I) Mặc dù phương án này đơn giản, nhưng nó gây tổn hao công suất trên điện trở Việc sử dụng điện trở chỉ có ý nghĩa khi điện áp rơi trên điện trở là không đáng kể; nếu điện áp rơi lớn, tổn hao công suất cũng sẽ lớn, dẫn đến hiệu suất của chỉnh lưu bị giảm.
Khi lựa chọn linh kiện điện tử làm việc song song, cần chú ý đến việc chọn thông số của các linh kiện có đặc tính giống nhau cả khi không tải và có tải Thông thường, dòng điện không nên vượt quá 20% để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
D 1 D 2 D 3 i 1 i 2 i 3 u a Sơ đồ diode nối song đơn giản và đặc tính của van
D1 D2 D3 b Sơ đồ nối R nối tiếp diode c Sơ đồ sử dụng cuộn kháng cân bằng
Hình 1.30: Phân bố dòng điện giữa các diode nối song song
2 Ghép nối tiếp các linh kiện điện tử công suất
Khi yêu cầu điện áp ngược lớn, cần ghép nối tiếp nhiều linh kiện điện tử công suất để chịu được điện áp này Việc chọn các linh kiện có đặc tính giống nhau là rất quan trọng để đảm bảo phân bố điện áp đồng đều Tuy nhiên, trong thực tế, sự phân bố điện áp thường không đều, do đó cần áp dụng các biện pháp như mắc song song với một điện trở hoặc một tụ điện để điều chỉnh.
Hình 1.31: San bằng điện áp trong sơ đồ mắc nối tiếp các thyristor
1.8.2 Bảo vệcác linh kiện điện tửcông suất
Các van bán dẫn công suất, được sử dụng trong mạch nghịch lưu và bộ biến đổi xung áp một chiều, yêu cầu khả năng đóng cắt với tần số cao từ 2 đến hàng chục kHz Tại những tần số này, sự cố như ngắn dòng có thể xảy ra do ngắn mạch từ phía tải hoặc lỗi trong chế tạo, dẫn đến hư hỏng thiết bị Do đó, việc bảo vệ các phần tử là rất quan trọng Sử dụng các mạch trợ giúp kết nối với van có thể ngăn chặn hậu quả và nâng cao hiệu quả làm việc của van, mang lại nhiều khả năng cho thiết bị.
- Giảm hoặc triệt tiêu các xung quá áp hoặc quá dòng (hạn chế du/dt,di/dt)
- Đưa điểm làm việc của van về vùng làm việc an toàn (SOA)
- Truyền năng lượng phát nhiệt của van ra vỏ ngoài hoặc sang hướng khác có lợi
- Giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt
- Giảm phát sóng vô tuyến ra xung quanh do dập tăt nhanh các dao động điện từ
Hình 1.32: Sơ đồ ngắn mạch nguồn
Hình 1.33: Hình dạng dây chì bảo vệ
- Bảo vệ dòng cực đại (ngắn mạch – quá dòng tức thời): Sự cố ngắn mạch van
Sự cố này xuất hiện khi:
• Van bị quá điện áp
• Van bị chọc thủng do du/dt, di/dt
Dùng cầu chì tác động nhanh và CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat) bảo vệ
Hình 1.34: Dùng cầu chì bảo vệ van
- Bảo vệ quá tải (quá dòng có thời gian):
+ CB (ngắt mạch tự động – Aptomat)
+ Mạch hạn dòng của bộ điều khiển vòng kín
2 Bảo vệ quá áp (quá áp dạng xung)
Có nhiều loại mạch trợ giúp nhưng phổ biến là ba mạch sau: a b c
Hình 1.284: Các mạch trợ giúp van cơ bản
RC nối tiếp, Varistor là điện trở có khả năng giảm nhanh khi áp suất vượt ngưỡng Bên cạnh đó, các bộ lọc nguồn, bao gồm mạch lọc LC hình π, được mắc song song với các van, mang lại hiệu quả tối ưu cho hệ thống.
Tùy thuộc vào mức độ thiết kế, việc đảm bảo an toàn cho các van bán dẫn trong mọi chế độ làm việc là rất quan trọng Khi các van hoạt động với dòng điện và điện áp nhỏ, tổn hao phát nhiệt từ các mạch trợ giúp có thể không đáng kể Tuy nhiên, khi công suất đóng cắt của các van lớn, lên đến vài trăm kW, thì vấn đề phát nhiệt từ mạch trợ giúp trở nên nghiêm trọng và cần được chú ý.
CÔNG SUẤT TIÊU TÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT
1.9.1 Tổn hao công suất trên phần tửbán dẫn
1 Tổn thất trong chế độ tĩnh, đang dẫn dòng hoặc đang khoá
Khi phần tử hoạt động trong chế độ dẫn dòng, tổn hao công suất được tính bằng tích của dòng điện và điện áp rơi trên nó Trong chế độ khoá, mặc dù điện áp có thể cao, nhưng dòng dò qua van rất nhỏ, do đó tổn hao công suất có thể được xem nhẹ Tổn hao công suất chủ yếu xảy ra khi van dẫn dòng Đối với hầu hết các phần tử bán dẫn, điện áp rơi trên van khi dẫn thường ổn định và ít phụ thuộc vào dòng điện, giúp dễ dàng xác định tổn hao công suất trong trạng thái dẫn.
2 Tổn thất trong quá trình đóng cắt
Trong quá trình đóng cắt, công suất tổn hao tức thời có thể lớn do dòng điện và điện áp trên van đồng thời cao Mặc dù thời gian đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong chu kỳ hoạt động của phần tử, tổn hao công suất trong chế độ này chỉ chiếm một phần nhỏ trong công suất tổn hao trung bình Tuy nhiên, khi phần tử hoạt động với tần số đóng cắt cao, tổn hao do đóng cắt trở thành yếu tố chính trong công suất phát nhiệt.
Xác định công suất tổn hao trong chế độ đóng cắt là một nhiệm vụ phức tạp, đòi hỏi phải phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này Các thành phần tổn hao công suất trong sơ đồ bộ biến đổi xung áp một chiều sử dụng MOSFET cần được xem xét kỹ lưỡng để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của chúng đối với hiệu suất hoạt động.
Trong quá trình hoạt động của van bán dẫn, tổn hao xảy ra chủ yếu do thời gian mở và khóa Hình 1.295 minh họa bộ biến đổi xung áp một chiều sử dụng MOSFET, cùng với dạng sóng của dòng điện và điện áp, cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Tổn hao này cần được xem xét kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu suất làm việc của thiết bị.
Trong sơ đồ, diode được coi là phần tử lý tưởng, trong khi MOSFET hoạt động với thời gian mở và khóa hữu hạn Trong quá trình chuyển mạch, tải trở cảm dòng điện iv(t) và điện áp uv(t) không thể thay đổi ngay lập tức Hình 1.34b minh họa dạng dòng và áp trong giai đoạn khóa.
Trong quá trình chuyển mạch ngắn, dòng tải chưa kịp thay đổi và có giá trị It = It trong khoảng thời gian t0 < t < t2 Tại thời điểm t0, tín hiệu khoá mosfet T khiến điện áp trên T tăng tuyến tính từ 0 đến giá trị điện áp nguồn một chiều E trong khoảng thời gian từ t0 đến t1 Trong giai đoạn này, diode D0 chưa mở, do đó dòng qua T vẫn giữ nguyên bằng It; bắt đầu từ t1, diode sẽ hoạt động.
D0 mở ra, qua đó dòng qua T giảm tuyến tính ở 0 ở thời điểm t2, tại đó dòng qua diode
D0 tăng lên đến bằng dòng tải.
Tổn hao công suất tức thời trên T bằng pv(t) = i V(t) có dạng tam giác trong khoảng t0 < t < t2 Tổn hao năng lượng trên T chính là diện tích của tam giác này:
Trong đó: toff là thời gian khoá của mosfet
Trong quá trình mở, đồ thị dòng điện và điện áp trên các phần tử thể hiện sự thay đổi rõ rệt, với dòng qua T tăng từ 0 đến It và dòng qua diode giảm từ It về 0 Chỉ khi dòng qua diode đạt 0, điện áp trên T mới bắt đầu giảm từ E xuống 0 Năng lượng tổn hao khi mới mở được xác định dựa trên các yếu tố này.
Trong đó t on là thời gian mở của van.
Tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt được tính bằng Woff + Won Khi chu kỳ hoạt động của van là T, tương ứng với tần số đóng cắt f = 1/T, công suất tổn hao sẽ được xác định dựa trên công thức này.
Tổn hao công suất tỷ lệ thuận với tần số đóng cắt Trong quá trình phục hồi, nếu thời gian đóng cắt của mosfet rất ngắn so với thời gian khoá lại của diode, thì tổn thất công suất chủ yếu xuất phát từ quá trình phục hồi của diode Dựa trên sơ đồ hình 1.35, quá trình mosfet khoá lại được thể hiện qua dạng sóng trong hình.
Khi diode khoá lại, dòng điện ngược sẽ di tản các diện tích trong lớp tiếp giáp p-n ra ngoài, với biên độ có thể lớn gấp vài lần giá trị dòng điện trước đó Như thể hiện trong hình 1.32, tại thời điểm t0, mosfet bắt đầu mở ra và diode D0 khoá lại Dòng điện ngược của diode tạo ra xung dòng trên giá trị It qua van V.
Hình 1.30: Tổn hao công suất do diode phục hồi
Trong khoảng t 0 đến t 1 diode vẫn còn phân cực thuận nên điện áp trên van T vẫn bằng
E Tại t 1 dòng điện qua diode bằng 0, diode bắt đầu bị phân cực ngược Từ t 1 đến t 2 dòng điện ngược của diode nạp cho tụ tương đương của tiếp giáp p-n phân cực ngược Điện áp trên van T giảm dầnvề 0 tại t 2 , tại đó diode khoá lại hoàn toàn.
Khoảng thời gian từ t0 đến t2 được gọi là thời gian phục hồi của diode (tr) Các diode có khoảng thời gian t2 – t1 được gọi là diode dập hay diode cắt nhanh Nếu thời gian cắt dòng của diode ngắn, thời gian đóng cắt của các phần tử cũng sẽ nhanh chóng Tuy nhiên, nếu tốc độ giảm dòng quá nhanh, điều này có thể dẫn đến quá điện áp trên các điện cảm ký sinh, gây ảnh hưởng đến các phần tử mạch.
Quá điện áp có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng mạch RC song song với các phần tử (mạch snubber), tuy nhiên, việc này cũng dẫn đến sự gia tăng tổn thất trong sơ đồ Do đó, cần đạt được sự cân bằng giữa việc giảm thiểu tổn thất trong quá trình đóng cắt và đảm bảo độ an toàn cho các phần tử trong sơ đồ.
Tổn thất năng lượng trong quá trình mở van T được tính bằng:
Khi sử dụng diode cắt nhanh, điều kiện (t2 – t1)