Giáo trình Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 2: Linh kiện điện tử công suất

 Chương 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 
 2.1 Diod công suất 
 2.2 Linh kiện họ transistor 
 2.3 Linh kiện họ thyristor 
Ngắt điện điện tử: 
linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử làm việc trong hai chế độ: 
- Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp rất bé, dòng phụ thuộc vào tải. 
- Khóa (OFF): dòng qua nó rất bé (≈ 0), xem như hở mạch. 
Linh kiện chính: 
diode, thyristor (SCR), transistor (BJT, MosFET, IGBT). 
trang 2 / 19 ch2 LK DTCS 
2.1 DIOD CÔNG SUẤT: 
 Là diod chịu dòng lớn, dùng trong ĐTCS 
1. Phân loại: - có hai loại: 
- tần số công nghiệp (diod chỉnh lưu) 
- diod tần số cao 
 có diod Schotky chịu áp thấp, sụt áp thuận 0.2 – 0.4V. 
2. Đặïc tính phục hồi của diod (recovery): 
 Từ dẫn -> khóa có khoãng dẫn dòng ngược 
TÁC DỤNG: hạn chế tần số làm việc, quá áp đóng ngắt 
trang 3 / 19 ch2 LK DTCS 
2.2 LINH KIỆN HỌ TRANSISTOR: 
 Là nhóm linh kiện đóng ngắt theo điều khiển: BJT, MosFET, IGBT 
G
S
D
 S
G
D
G
C
E 
G
C
E 
MosFET kênh n (Ký hiệu quen dùng) Ký hiệu IGBT Mạch nguyên lý IGBT 
 - MosFET: là transistor trường loại tăng (enhancement). 
 - IGBT (Insulated Gate BJT) = MosFET ở ngỏ vào + BJT ở ngỏ ra. 
 BJT: điều khiển bằng dòng cực B MosFET, IGBT: điều khiển bằng áp VGS VGE 
- IB = 0 => BJT khóa, không dẫn điện 
- IB đủ lớn (IB > IC / β) BJT bảo hòa: dòng 
tải IC chỉ phụ thuộc tải. 
transistor Darlington có β từ vài trăm 
đến vài nghìn. 
- VGS ≤ 0 : transistor khóa 
- VGS > VTH : transistor dẫn điện 
 (VTH từ 3 .. 5 volt) 
Thực tế điều khiển: 
 0/10 – 15V hay ±(10 – 15)V 
trang 4 / 19 ch2 LK DTCS 
 2.2.1 Đặc tính đóng ngắt BJT 
- Thí nghiệm đóng ngắt tải R và RL: 
VCC
VCC
Ci
Ci
CE
v
CE
v
Q
R1
R2
VBB
Rt
L
Q
Rt
R1
R2
VBB
- từ khóa Ỉ bảo hòa transistor đi qua trạng thái khuếch đại 
 => có tổn hao đóng ngắt: 
phát nhiệt tăng cao theo tần số làm việc 
 => cần có biện pháp: 
điều khiển tối ưu + mạch hỗ trợ 
trang 5 / 19 ch2 LK DTCS 
 2.2.2 Mạch lái BJT: 
 Khái niệm về mạch lái (driver): 
Điều khiển
vòng kín
Mạch
phát xung
Khuếch đại
xung
Ghép
nối
Điều khiển Mạch lái (driver)
NĐBD
 DRIVER: bộ phận trung gian giữa HT điều khiển - thiết bị 
 - HT ĐKTĐ: Driver = bộ điều khiển động cơ/ tải công suất 
 - BBĐ: Driver = mạch cung cấp dòng điều khiển NĐBD 
 gồm KĐ công suất + ghép nối 
 - Ghép nối: trung gian mạch ĐK – động lực 
 Trực tiếp – qua trung gian quang / từ 
trang 6 / 19 ch2 LK DTCS 
 a. Dạng xung điều khiển tối ưu: 
 - Dòng cực B tối ưu: 
I
I
I
cb
dt
ng
t
Bi
Q
R2
VBB
C
D
R
R1
 mạch Snubber 
 Giải thích: 
 tụ điện ký sinh CBE cần nạp/xả nhanh 
 MosFET, IGBT: cũng có quá trình tương tự với CGS . 
 - Mạch cải thiện quá trình khóa: 
 Tụ C tạo đường dẫn điện IC trrong quá trình khóa ngắt điện 
trang 7 / 19 ch2 LK DTCS 
 b. Mạch lái BJT 
 - các dạng mạch lái trực tiếp: (a), (b), (d) 
- VCC
VCC
(a) (b) (c) (d)
Q
R2
VBB C
R3
Q1
Q2
R1
R2
D
Q
Q2
Q1
1uF
2.2k
QT
R1
 - Ghép bằng quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái. 
OPTRON (Cách ly tín hiệu 
ĐK) + sửa dạng + khuếch 
đại công suất (Ghép trực 
tiếp). 
Mạch điện tương tự như lái 
SCR. 
Khuếch
đại xung
10 mA
cấp điện
OPTO
1
2
4
3
+ _
trang 8 / 19 ch2 LK DTCS 
 2.2.3 mạch lái MosFET, IGBT: 
 - Các thông số: 
Ngưỡng áp điều khiển 3 – 5 V 
Tiêu biểu 0 – 10 V (hay 15 V) 
 +/- 10 V (hay 15 V) 
Giới hạn +/- 20 V 
 Mạch cực cổng 
22k
510/3w
MOSFET N
330p
Dz7V2
0..15V
Xung
D
220
- Mạch lái MosFET và IGBT: 
Tần số thấp: lái trực tiếp từ vi mạch 12V 
Tần số cao: Mạch lái tương tự BJT nhưng cấp điện 15 – 20V. 
 Vi mạch lái: - IR21xx 
 - optron + mạch KĐại 
trang 9 / 19 ch2 LK DTCS 
II.3 LINH KIỆN HỌ THYRISTOR: 
 Thyristor: linh kiện có ≥ 4 lớp, đại diện là SCR 
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR: 
 Ký hiệu SCR 
Hình II.2.2: Cấu tạo một 
SCR dòng lớn ở tỉ lệ thực 
(a) và phóng to mảnh 
tinh thể bán dẫn (b) 
 Anod: Dương cực 
 Katod: Âm cực 
 Gate: Cổng hay cực điều khiển. 
trang 10 / 19 ch2 LK DTCS 
 K
N
A
G
N
P
P
Cấu tạo nguyên lý Mạch tương đương hai BJT 
Hình II.2.1: nguyên lý 
SCR 
- Mạch tương đương giải thích được hoạt động của SCR khi phân cực thuận 
- Khi mới cấp điện, iG = 0 : SCR khóa thuận và ngược – IA là dòng điện rò, rất bé, 
cở mA với VAK ≠ 0. 
 - Khi SCR phân cực thuận VAK > 0, và IG > 0, SCR Ỉ dẫn điện 
- SCR tự giữ trạng thái dẫn điện cho đến khi IA Ỉ 0. 
 2. Đặc tính tĩnh ( volt – ampe ): 
Mô tả quan hệ IA(VAK) với dòng IG khác nhau. 
trang 11 / 19 ch2 LK DTCS 
Hình II.2.3 Sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến volt – ampe của SCR 
 * VAK < 0 : Khóa ngược: có dòng rò ngược, cở mA. 
Khi VAK < - VRB ta có hiện tượng gãy ngược Ỉ SCR bị hỏng. 
 * VAK > 0 và IG = 0 : Khóa thuận: có là dòng rò thuận, cở mA. 
Khi VAK > VFB ta có hiện tượng gãy thuận: SCR Ỉ dẫn điện. 
 Định mức áp của SCR cần lớn hơn các giá trị gãy với hệ số an toàn > 2. 
 * Quá trình kích: Khi phân cực thuận, nếu IG tăng, VFB giảm dần. 
=> Kích dòng IG đủ lớn để SCR dẫn điện bất chấp áp phân cực thuận. 
 * Vùng dẫn điện: sụt áp VAK = VF khoảng 1 - 2 volt. 
Có 2 thông số dòng: IL : dòng cài, IH : dòng giữ 
trang 12 / 19 ch2 LK DTCS 
 2. Đặc tính động ( đóng ngắt ): 
 a. Đặc tính mở: ( turn on ) 
 - Thời gian trễ ton 
 - Giới hạn tốc độ tăng dòng diA/dt vì có thời gian lan truyền của vùng dẫn điện 
Hình II.2.4.a. Đặc 
tính động : mở 
và khóa của SCR 
Hình II.2.4.b. Cấu tạo SCR cực 
cổng để cải thiện đặc tính 
động 
(2) (1) 
trang 13 / 19 ch2 LK DTCS 
 b. Đặc tính khoá: ( turn off ) 
 - Thời gian đảm bảo tắt toff toff = [ 10 .. 50 ] usec với SCR tần số cao 
 [ 100 .. 300 ] usec với SCR chỉnh lưu. 
- Có giới hạn tốc độ tăng du/dt để tránh tự kích dẫn. 
- Có quá trình dẫn dòng ngược khi khóa (đặt áp âm) như diod (đặc tính phục hồi 
ngược). 
- Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn (hình II.2.5). 
C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; 
R1 = 20 – 100 ohm; C1 = 0.1 – 0.5 uF. 
Hình II.2.5: Mạch snubber R1C1 và RC cực cổng bảo vệ 
SCR khỏi các chế độ kích dẫn không mong muốn. 
trang 14 / 19 ch2 LK DTCS 
 3. Đặc tính cổng: (hay kích khởi cổng) 
Bao gồm: 
 (1) IG(VG) tiêu biểu, 
 (2) IG(VG) ứng với điện trở RG bé, 
 (3) IG(VG) ứng với điện trở RG lớn. 
Các thông số giới hạn ( cực đại ): 
 dòng IGmax, 
 áp VGmax và 
 công suất tiêu tán trung bình PGmax 
(phụ thuộc bề rộng xung kích SCR). 
 Các thông số giới hạn (bé nhất) cho đảm 
bảo kích: VGT, IGT . 
 Hình II.2.6: Đặc tính cổng SCR 
 Điểm làm việc của cực cổng SCR phải nằm trong các giới hạn trên. 
trang 15 / 19 ch2 LK DTCS 
4. Các linh kiện khác trong họ thyristor: 
Thyristor là họ linh kiện có ít nhất 4 lớp với SCR là đại diện. 
Thyristor có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện (kích dẫn). 
Một số Thyristor được chế tạo để có thể điều khiển được quá trình khoá làm thành 
ngắt điện điện bán dẫn một chiều. 
 Hình II.2.7: Ký hiệu của các linh kiện hay gặp của họ Thyristor. 
 a. DARLISTOR: SCR có cấu tạo nối tầng (cascade) để tăng hệ số khuếch đại dòng 
IA / IG 
b. DIAC: 
 c. LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích bằng tia sáng. 
 d. GTO: ( Gate turn off SCR, SCR tắt bằng cực cổng ). 
 GTO cho phép ngắt SCR bằng xung âm ở cực cổng. Từ mạch tương đương hai BJT 
(hình 1.2a), khả năng này có thể được dự đoán. 
trang 16 / 19 ch2 LK DTCS 
 e. TRIAC: Là hai SCR song song ngược, được chế tạo với dòng định mức đến hàng 
ngàn ampe. 
- IG > 0 hay IG < 0 tổ hợp với 
 VT > 0 hay VT < 0 cho ta 
4 kiểu hoạt động 
 Hình II.2.8 Đặc tuyến V – I của TRIAC và DIAC 
 Hình II.2.9: Hình dạng bên ngoài 
của một số TRIAC (SCR cũng tương tự ) 
 Nhược điểm TRIAC: 
 - dễ bị tự kích ở nhiệt độ mối 
nối cao 
 - có giới hạn du/dt rất thấp, 
khó làm việc với tải có tính cảm. 
trang 17 / 19 ch2 LK DTCS 
5. Mạch lái Thyristor: 
 a. Ghép trực tiếp: 
Mạch lái = mạch 
khuếch đại dòng 
6V
XUNG DK
SCR
R?
RC1
0.1 uF
R5
2.2 ohm
R2
220
R3
100
R1
100
R4
2.2 ohm
Q1
C1061
 b. Ghép quang: dùng OPTRON cách ly Điều khiển - Động lực 
OPTRON (Optocoupler) 
OPTRON Triac họ MOC 
OPTRON thông thường có 
thời gian trễ lớn hơn vài micro 
giây => tần số tối đa đến vài 
chục KHz. 
6V
OPTO1 1
2
4
3 Q1
Q2
1K
2.2 ohm
2.2 ohm
R1
4K7
4k7
R2
100
4K7 SCR
Sơ đồ kích SCR dùng OPTRON thông thường. 
trang 18 / 19 ch2 LK DTCS 
 Đặc tính optron PS2521 (NEC) hay TLP521 (TI) 
 Đặc tính optron TRIAC họ MOC của Motorola 
trang 19 / 19 ch2 LK DTCS 
 c. Ghép biến áp: biến áp xung (BAX) 
nguyên tắc BAX là xung phải đủ hẹp: 
thời gian có xung đủ nhỏ – thời gian nghỉ đủ dài 
VCC
D2
D1
3k3
3k3
3k3
Q1
BAX
3.3 ohm
D2
47n
100
SCR
 Mạch lái xung hẹp