›
›

Khí cụ điện tử - TS. Lê Ngọc Bích

ppt 43 trang phuongnguyen 140
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khí cụ điện tử - TS. Lê Ngọc Bích", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptkhi_cu_dien_tu_ts_le_ngoc_bich.ppt

Nội dung text: Khí cụ điện tử - TS. Lê Ngọc Bích

  1. 7/13/2021 Khí cụ điện tử TS. Lê Ngọc Bích Khoa Cơ Khí Bộ môn Cơ Điện Tử Lê Ngọc Bích
  2. Transistor BJT cơng suất Lê Ngọc Bích
  3. Transistor BJT cơng suất ❖Transistor cơng suất là linh kiện bán dẫn được điều khiển đĩng và điều khiển ngắt. ❖Transistor cơng suất hoạt động ở vùng bão hịa vì vậy cĩ điện áp khi đĩng nhỏ, giống như khĩa đĩng ngắt. ❖Tần số đĩng ngắt của Transistor cơng suất lớn hơn gấp nhiều lần so với thyristors, tuy nhiên điện áp và dịng điện định mức của một số transistor cơng suất nhỏ hơn so với Thyristors, vì vậy cĩ ứng dụng trong các bộ biến đổi cơng suất vừa và nhỏ. ❖Ứng dụng trong các bộ biến đổi DC-DC, DC-AC với diode ngược để cĩ thể cho dịng điện chạy cả hai chiều Lê Ngọc Bích
  4. Transistor BJT cơng suất ❖ BJT cĩ cấu trúc gồm 3 lớp dạng N-P-N hoặc P-N- P. Tuy nhiên dạng N-P-N được sử dụng nhiều hơn vì loại này cĩ kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dịng điện. ❖ BJT cĩ hai lớp tiếp xúc p-n: Collector – Base (CBJ) và Base – Emitter (BEJ). Lớp tiếp xúc BEJ phân cực theo chiều thuận để kéo điện tử về vùng Base, Lớp tiếp xúc CBJ phân cực theo chiều nghịch để thu điện tử về vùng Collector. ❖ BJT cĩ 3 điện cực Collector (C), Emitter (E) và Base (B) và được điều khiển hồn tồn bằng dịng điện IB thơng qua cực B và E. Mạch cơng suất nối giữa 2 cực C và E. Lê Ngọc Bích
  5. Transistor BJT cơng suất ❖ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: ▪ Loại NPN (tín hiệu kích dương) Lê Ngọc Bích
  6. Transistor BJT cơng suất ❖ Loại PNP (tín hiệu kích âm) Lê Ngọc Bích
  7. Transistor BJT cơng suất ❖ Active -Vùng tích cực hay vùng tuyến tính: là vùng mà transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại tín hiệu, tương ứng với các giá trị làm việc UCE> UCESAT và dịng IC>ICO. IC=hFE.IB ▪ Trongđĩ: • hFE là hệ số khuếch đại dịngđiện Lê Ngọc Bích
  8. Transistor BJT cơng suất ❖Một số tính chất của BJTở chế độ tuyến tính: ▪ Dịng điện IC tỷ lệ với dịng IB. ▪ Dịng IC hầu như khơng phụ thuộc vào điện áp trên Collector. ▪ Điện áp trên Base khơng phụ thuộc vào điện áp trên Collector và hầu như khơng phụ thuộc vào dịng IB. Lê Ngọc Bích
  9. Transistor BJT cơng suất ❖b. Saturation -Vùng bão hịa: Dịngđiện Base IB khá lớn với điện áp VCE nhỏ mà BJT hoạt m động như một khĩa. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực thuận Collector – Base (CBJ) và Base – Emitter (BEJ). ▪ Để chuyển chế đột uyến tính sang chế độ bão hịa cần phải tăng giá trị dịng IB cho đến khi điện áp UCE giảm đến giá trị mà ở đĩ lớp tiếp xúc C-B phân cực thuận.Ở chế độ bão hịa điện áp giữa C và E khá nhỏ nên BJT cĩ thể thay thế bằng khĩa đĩng với điện áp rơi nhỏ. ▪ Tại điểm làm việc nằm trong vùng bão hịa, transistor sẽ đĩng, dịng IC dẫn và điện thế UCE= UCESAT =1-2 V. BJT cĩ thể thay thế bằng khĩa đĩng ngắt với điện áp rơi nhỏ. Do dịng điện IB>IB_SAT, dịng điện qua collector IC hầu như khơng thay đổi. ▪ Điều kiện bão hịa của BJT l UCB=UCE-UBE=0.Độ bõa hịa đạt được khi thỏa mãn điều kiện UBE>0. ▪ Trong chế độ bão hịa dịng điện IB bao giờ cũng cĩ giá trị lớn hơn dịng điện cần thiết để tạo dịng IC so với chế độ tuyến tính. ▪ Điều kiện UBE=0 thường được gọi là chế độ giới hạn (biên giới), nghĩa là nĩ đặc trưng cho việc chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hịa. Lê Ngọc Bích
  10. Transistor BJT cơng suất ❖ Cutoff - Vùng nghịch: Đặc tính ra với thơng số iB = 0 nằm trong vùng này. Transistor ở chế độ ngắt. Dịng Base khơng đủ lớn để đĩng BJT. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực ngược ❖ Tổn hao cơng suất trong BJT: Lê Ngọc Bích
  11. Transistor BJT cơng suất ❖ Mạnh Darlinton: ▪ Các transistor cơng suất lớn cĩ hệ số hFE chỉ khoảng 10- 20. Do đĩ, để giảm bớt dịng kích IB, tức tăng hFE cĩ thể ghép nối tiếp các transistor cơng suất theo cấu hình Darlington. Bất lợi của cấu hình Darlington là độ sụt áp UCE bị tăng lên và tần số đĩng ngắt bị giảm. Lê Ngọc Bích
  12. Transistor BJT cơng suất ❖ Các thơng số cơ bản BJT ▪ a.Điện áp định mức: phụ thuộc vào điện áp đánh thủng các lớp bán dẫn và xác định bởi giá điện áp cực đại đặt lên lớp collector-emitter UCEOM khi IB = 0 và giá trị cực đại điện thế lớp emitter-base b UEBOM khi IC = 0. ▪ b. Dịng điện định mức: giá trị cực đại của dịng collector ICM, dịng emitter IEM và dịng kích IBM. Đĩ là các giá trị cực đại tức thời của transistor khi đĩng trong trạng thái bão hịa. Khi thiết lập chúng, ta xét đ ế n ảnh hưởng của các mối tiếp xúc, dây dẫn tới điện cực và các giá trị hFESAT và UCESAT. ▪ c. Cơng suất tổn hao: cơng suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của transistor khơng được phép làm nĩng bán dẫn vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép TM(TM =1500C). Vì thế, cần làm mát transistor và tồn bộ cơng suất tổn hao phải nhỏ hơn PM. Giá trị PM phụ thuộc vào phương pháp làm mát và nhiệt độ mơi trường. Lê Ngọc Bích
  13. Transistor BJT cơng suất ❖ d. Một số tính chất và thơng số ▪ BJT là linh kiện bán dẫn điều khiển đĩng ngắt bằng dịng điện Base IB. Nếu muốn điều khiển dịng tải (IC) lớn cần phải tăng dịng điện IB, làm cho tổn hao cơng suất và nhiệt độ linh kiện tăng. -Khơng cĩ khả năng khố áp ngược. -Điện áp định mức đến 1500V. -Dịng điện định mức đ ến 400A. -Tần số định mức 10 kHz. -Điện áp VBE 1- 2V -Hệ số khuếch đ ại dịng hFE=15 đến 100. ▪ Dịng điều khiển IB đến 10A và lớn hơn dịng điều khiển của Thyristor ▪ Các trạng thái đĩng ngắt. • UCE>0, IB>IBmin : BJT đĩng • IB<=0: BJT ngắt Lê Ngọc Bích
  14. Transistor BJT cơng suất ❖ Mạch bảo vệ: ▪ Để bảo vệ quá áp trong quá trình đĩng ngắt BJT ta cĩ thể sử dụng các mạch dưới đây: • Để giảm tốc độ tăng áp khố dt/du trong quá trình ngắt ta mắc song song BJT với tụ (mạch Snubber RC và R, diode, C) • Để giảm tốc độ tăng dịng dt/di khi đĩng mạch ta dùng cuộn cảm mắc nối tiếp với BJT vì L cĩ tác dụng giảm tốc độ tăng dịng, tích năng lượng, sau đĩ đ ược xả qua mạch L,R. Lê Ngọc Bích
  15. Transistor BJT cơng suất ❖Mạch kích: ▪ Nguyên tắc thiết kế mạch sao cho BJT được đĩng ngắt bởi dịng IB thích hợp, và thay đổi được dịng IC trong mọi điều kiện. Trong đĩ nhiệm vụ của mạch kích: • Giảm thời gian chuyển trạng thái (ton, toff): bằng cách cho dịng kích IB giai đoạn đầu khá lớn và sau đĩ giảm dần. • Cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch cơng suất: dùng biến áp xung hoặc linh kiện quang điện tử (opton) Lê Ngọc Bích
  16. Transistor trường MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) Lê Ngọc Bích
  17. Transistor trường MOSFET ❖Lọai transistor cĩ khả năng đĩng ngắt nhanh và tổn hao do đĩng ngắt thấp được gọi là Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) với cổng điều khiển bằng điện trường (điện áp). MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng cơng suất nhỏ (vài kW) và khơng thích hợp sử dụng cho các ứng dụng cĩ cơng suất lớn. Tuy nhiên, linh kiện MOSFET khi kết hợp với cơng nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với nhau tạo nên linh kiện MTO cĩ ứng dụng cho các tải cơng suất lớn. Lê Ngọc Bích
  18. Transistor trường MOSFET Lê Ngọc Bích
  19. Transistor trường MOSFET ❖ MOSFET cĩ hai lọai pnp và npn. Trên hình bên mơ tả cấu trúc MOSFET lọai npn. Giữa lớp kim lọai mạch cổng và các mối nối n+ và p cĩ lớp điện mơi silicon oxid SiO. Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển kích đĩng ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng. Khi điện áp dương áp đặt lên giữa cổng G và Source, tác dụng của điện trường (FET) sẽ kéo các electron từ lớp n+ vào lớp p tạo điều kiện hình thành một kênh nối gần cổng nhất, cho phép dịng điện dẫn từ cực drain (collector) tới cực Source (emitter). Lê Ngọc Bích
  20. Transistor trường MOSFET ❖ MOSFET địi hỏi cơng suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đĩng nhanh và tổn hao do đĩng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET cĩ điện trở khi dẫn điện lớn. Do đĩ, cơng suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nĩ khơng thể phát triển thành linh kiện cơng suất lớn. ❖ Đặc tính V-A linh kiện loại n được vẽ trên hình bên, cĩ dạng tương tự với đặc tính V-A của BJT. Điểm khác biệt là tham số điều khiển là điện áp kích UGS thay cho dịng điện kích IBE. Lê Ngọc Bích
  21. Transistor trường MOSFET ❖ MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS. ❖ Để MOSFET ở trạng thái đĩng, địi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục. Dịng điện đi vào mạch cổng điều khiển khơng đáng kể trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đĩng hoặc ngắt dịng. ❖ Thời gian đĩng ngắt rất nhỏ, khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện. ❖ Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện Ron thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện. Do đĩ, các linh kiện MOSFET thường cĩ định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít. ❖ Tuy nhiên, do tốc độ đĩng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đĩ, với định mức áp từ 300V- 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz. ❖ MOSFET cĩ thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dịng điện vài chục amper và với mức điện áp vài trăm volt với dịng cho phép đến khoảng 100A. Điện áp điều khiển tối đa 20V (2V,5V,10V tùy theo loại), mặc dù thơng thường cĩ thể dùng áp đến 5V để điều khiển được nĩ. ❖ Các linh kiện MOSFET cĩ thể đấu song song để mở rộng cơng suất. Lê Ngọc Bích
  22. Transistor trường MOSFET ❖ Mạch kích MOSFET Để giảm thời gian kích đĩng ton của MOSFET ta cĩ thể sử dụng dạng mạch (hình a) Khi tác dụng điện áp UG , dịng điện tích điện ban đầu cho tụ mạch cổng G: Sau đĩ điện áp xác lập trên cổng là Lê Ngọc Bích
  23. Transistor trường MOSFET ❖ Sơ đồ mạch kích được cải thiện trên hình b và sử dụng cấu trúc totem-pole gồm 2 transistor NPN và PNP. Khi điện áp kích U1 ở mức cao, Q1 dẫn và Q2 khĩa làm MOSFET dẫn. Khi tin hiệu U1 thấp, Q1 ngắt, Q2 dẫn làm các điện tích trên mạch cổng được phĩng thích và MOSFET trở nên ngắt điện. Tín hiệu U1 cĩ thể lấy từ mạch collector mở (open- collector TTL) và totem-pole đĩng vai trị mạch đệm (buffer). Lê Ngọc Bích
  24. Transistor trường MOSFET ❖ Cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm cho linh kiện hoạt động tốt mà khơng cần bảo vệ nhiều như BJT. Tuy nhiên, ta cĩ thể sử dụng mạch RC nhỏ mắc song song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng các gai điện áp và các xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đĩng. Lê Ngọc Bích
  25. IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) ❖ IGBT là transistor cơng suất hiện đại, chế tạo trên cơng nghệ VLSI, cho nên kích thước gọn nhẹ. Nĩ cĩ khả năng chịu được điện áp và dịng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện. Lê Ngọc Bích
  26. IGBT ❖ IGBT cĩ ký hiệu, mạch điện tương đương vẽ trên hình dưới. Lê Ngọc Bích
  27. IGBT ❖ IGBT cĩ phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu trúc của nĩ. Giống như thyristor và GTO, nĩ cĩ cấu tạo gồm hai transistor. Việc điều khiển đĩng và ngắt IGBT được thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực transistor npn. ❖ Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G. Đặc tính V-A của IGBT cĩ dạng tương tự như đặc tính V-A của MOSFET. ❖ Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với emitter để kích đĩng IGBT, các hạt mang điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor npn và làm cho transistor này dẫn điện. Điều này sẽ làm IGBT dẫn điện. Việc ngắt IGBT cĩ thể thực hiện bằng cách khĩa điện thế cấp cho cổng kích để ngắt kênh dẫn p. Mạch kích của IGBT vì thế rất đơn giản. Lê Ngọc Bích
  28. IGBT ❖ Ưu điểm của IGBT là khả năng đĩng ngắt nhanh, làm nĩ được sử dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung tần số cao. Mặc khác, với cấu tạo của một transistor, IGBT cĩ độ sụt áp khi dẫn điện lớn hơn so với các linh kiện thuộc dạng thyristor như GTO. Tuy nhiên, IGBT hiện chiếm vị trí quan trọng trong cơng nghiệp với họat động trong phạm vi cơng suất đến 10MW hoặc cao hơn nữa. ❖ IGBT cĩ thể làm việc với dịng điện lớn. Tương tự như GTO, transistor IGBT cĩ khả năng chịu áp ngược cao. ❖ So với thyristor, thời gian đáp ứng đĩng và ngắt IGBT rất nhanh, khoảng một vài μs và khả năng chịu tải đến 4,5kV-2.000A. Hiện nay cơng nghệ chế tạo IGBT đang được đặc biệt phát triển để đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6kV) và dịng điện vài ngàn Amper. ❖ IGBT cĩ khả năng hoạt động tốt khơng cần đến mạch bảo vệ. Trong trường hợp đặc biệt, cĩ thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT. ❖ Mạch kích IGBT đượt thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET. Do giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho cơng suất lớn, mạch kích lái IGBT được chế tạo dưới dạng IC cơng nghiệp. Các IC này cĩ khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng modul riêng (1,2,4,6 driver) hoặc tích hợp trên cả modul bán dẫn (hình thành dạng complex (bao gồm mạch lái, IGBT và mạch bảo vệ) ) Lê Ngọc Bích
  29. SCR Lê Ngọc Bích
  30. SCR ❖ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ❖ Thyristor là linh kiện bán dẫn với cấu trúc gồm 4 lớp tiếp xúc n-p. Với ba cực Anode (A), Cathode (K), Gate (G). ❖ Mạch điều khiển gắn với cổng GK, mạch cơng suất gắn với cổng AK. ❖ Điều kiện để mở Thyristor ▪ UAK > 0 ▪ Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển. ❖ Điều kiện để đĩng Thyristor ❖ Đặt điện áp ngược lên A – K Lê Ngọc Bích
  31. SCR ❖ Đặt tính volt-amper ▪ Thyristor lý tưởng: ▪ Ba trạng thái: đĩng – mở – khĩa Lê Ngọc Bích
  32. SCR ❖ Thyristor thực tế: Lê Ngọc Bích
  33. SCR ❖ -Nhánh thuận : UAK>0 và IG>0, Thyristor dẫn tương ứng với giá trị khác nhau của điện áp UAK mà dịngđiều khiển IG cĩ những gía trị khác nhau. Thyristor cĩ thể dẫn với IG =0 khi điện áp UAK cĩ giá trị khá lớn. Mạch tươngđ ương của SCR gồm 2 Transistor mắcđối Collector và Base với nhau xung IG làm 2 Transistor nhanh chĩng dẫn bão hồ. ❖ -Nhánh nghịch khi UAK IG1>IG0→ VB02<UB01<UB0. ❖ - IL (L- Latching) - Dịng chốt : Khi dịng thuận qua SCR IF lớn hơn giá trị dịng chốt IL mới cĩ thể tắt xung điều khiển ❖ - IH (H – Holding)- Dịng duy trì : trong quá trình dịng thuận SCR IF thấp hơn dịng duy trì IH thì SCR tự động chuyển sang trạng thái ngắt ❖ - VBR – Áp đánh thủng SCR. Lê Ngọc Bích
  34. SCR ❖ Các thơng số cơ bản của SCR ▪ - Sau khi thyristor dẫn cực điều khiển mất tính chất điều khiển vì thế khơng thể sử dụng nĩ đ ể ngắt Thyristor. Thyristor cĩ thể tự ngắt khi dịng điện qua nĩ nhỏ hơn dịng điện duy trì. Đối với Thyristor lý tưởng thì dịng duy trì bằng 0. Tuy nhiên đối với Thyristor thực tế thì giá trị này khác 0. ▪ - Dùng cho mạch cơng suất lớn ▪ - Mạch điều khiển đ ược nối giữa cực G-K. Mạch cơng suất đ ược nối giữa cực A-K ▪ - Linh kiện điều khiển bằng dịng IG kích đĩng cho SCR ▪ - Khơng cĩ khả năng kích ngắt, SCR chỉ bị ngắt khi dịng qua nĩ nhỏ hơn dịng duy trì. ▪ - Áp đ ịnh mức SCR vài kV, dịng đ ịnh mức vài kA ▪ - Tín hiệu điều khiển là dịng điện, dịng điều khiển nhỏ hơn dịng điều khiển của BJT Lê Ngọc Bích
  35. SCR ❖ Các trạng thái của SCR: SCR cĩ 3 trạng thái: ▪ - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode âm so với cực cathode. ▪ - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode dương so với cực cathode. ▪ - Trạng thái dẫn. Lê Ngọc Bích
  36. SCR ❖ Mạch bảo vệ ▪ - Nếu dU/dt quá lớn dẫnđến SCR dẫn ngồi ý muốn. Vì thế người ta giới han tốc độ thay đổi điện áp khố trong khoảng 10-100 V/ μs ▪ - Nếu dIf/dt lớn quá sẽ làm tiết diện SCR bị quá tải ở chỗ nối với cổng làm hỏng SCR .Vì thế người ta giới hạn độ tăng của dịng thuận trong khoảng 10-100A/μs Lê Ngọc Bích
  37. SCR ❖ Hình dạng thực tế thường gặp: Lê Ngọc Bích
  38. Triac Lê Ngọc Bích
  39. Triac ❖ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: ▪ -TRIAC được cấu tạo bởi hai Thyristor mắc đối song song. Do đĩ linh kiện dẫn điện ở cả hai nửa chu kỳ. Lê Ngọc Bích
  40. Triac ❖ Ký hiệu và sơ đồ kết nối: Lê Ngọc Bích
  41. Triac ❖ Đặc tính Volt-Amper TRIAC ▪ -Đặc tính Volt-Amper của TRIAC vẽ theo chiều quy ước của cực T1. ▪ -Đặc tính Volt-Amper của TRIAC cĩ tính đối xứng Lê Ngọc Bích
  42. Triac ❖Các thơng số và tính chất cơ bản TRIAC ▪ - Khái niệm Anode và Cathode khơng cĩ ý nghĩa đối với TRIAC, ta đánh số T1 là cực gần cực ▪ điều khiển G. ▪ - TRIAC chỉ bị khố khi IG=0 và điện áp đặt nhỏ hơn áp ngưỡng. ▪ -Ưu điểm cơ bản của TRIAC là mạch điều khiển đơn giản. Nhưng cơng suất giới hạn khơng cao ▪ và nhỏ hơn Thyristor. ▪ -TRIAC tự bảo vệ chống lại quá điện áp theo cả hai chiều. Lê Ngọc Bích
  43. Lê Ngọc Bích