Điện tử công suất - Chương một: Các linh kiện bán dẫn

121 trang vanle 3080

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Điện tử công suất - Chương một: Các linh kiện bán dẫn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

dien_tu_cong_suat_chuong_mot_cac_linh_kien_ban_dan.pdf

Nội dung text: Điện tử công suất - Chương một: Các linh kiện bán dẫn

Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG MOÄT CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN Baùn daãn: laø chaát maø trong nhieät ñoä bình thöôøng noù coù ñoä daãn ñieän giöõa chaát daãn ñieän vaø chaát caùch ñieän. Hieän nay, baùn daãn thöôøng duøng laø Silic, Silic tinh khieát coù caáu truùc tinh theå raát beàn vöõng. ÔÛ nhieät ñoä thaáp, noù khoâng coù caùc ñieän tích töï do. Vì theá, Silic tinh khieát hoaït ñoäng nhö chaát caùch ñieän. Hoãn hôïp Silic vôùi caùc nguyeân toá khaùc coù aûnh höôûng raát lôùn ñeán ñoä daãn ñieän cuûa Silic. Moät cuûa hoãn hôïp cuûa Silic chöùa thöøa ñieän tích töï do vaø caùc ñieän tích naøy trôû thaønh haït daãn ñieän, hoãn hôïp naày taïo thaønh chaát baùn daãn loaïi N. Moät soá hoãn hôïp cuûa Silic thieáu ñieän töû- chuùng coù loã hoång. Caùc loã hoång taïo thaønh thaønh phaàn daãn ñieän chuû yeáu. Hoãn hôïp loaïi naøy taïo thaønh baùn daãn loaïi P vôùi ñoä daãn ñieän loaïi P. Lôùp tieáp xuùc PN: laø vuøng trong baùn daãn maø vuøng daãn ñieän loaïi P ñöôïc chuyeån thaønh loaïi N. Ñaëc tính V-A: bieåu dieãn quan heä giöõa doøng ñieän ñi qua hai cöïc cuûa linh kieän vaø ñieän aùp ñaët giöõa caùc cöïc ñoù. Caùc giaù trò ñieän aùp vaø doøng ñieän naøy ñöôïc hieåu laø giaù trò aùp vaø doøng moät chieàu khoâng ñoåi. 1.1 - PHAÂN LOAÏI LINH KIEÄN BAÙN DAÃN THEO KHAÛ NAÊNG ÑIEÀU KHIEÅN Caùc linh kieän baùn daãn coâng suaát trong laõnh vöïc ñieän töû coâng suaát coù hai chöùc naêng cô baûn: ñoùng vaø ngaét doøng ñieän ñi qua noù. Traïng thaùi linh kieän daãn ñieän (ñoùng) laø traïng thaùi linh kieän coù taùc duïng nhö moät ñieän trôû raát beù (gaàn baèng khoâng). Ñoä lôùn doøng ñieän qua linh kieän phuï thuoäc traïng thaùi maïch ñieän luùc linh kieän ñoùng vaø ñoä suït aùp treân linh kieän nhoû khoâng ñaùng keå (toái ña khoaûng vaøi volt). Traïng thaùi linh kieän khoâng daãn ñieän (ngaét doøng ñieän) laø traïng thaùi linh kieän coù taùc duïng trong maïch nhö moät ñieän trôû raát lôùn. Doøng ñieän ñi qua linh kieän coù ñoä lôùn khoâng ñaùng keå; ñoä lôùn ñieän aùp ñaët leân linh kieän phuï thuoäc vaøo traïng thaùi hoaït ñoäng cuûa maïch ñieän beân ngoaøi. Do ñoù, linh kieän baùn daãn hoaït ñoäng vôùi hai cheá ñoä laøm vieäc ñoùng vaø ngaét doøng ñieän ñöôïc xem laø lyù töôûng neáu ôû traïng thaùi daãn ñieän noù coù ñoä suït aùp baèng khoâng vaø ôû traïng thaùi khoâng daãn ñieän, doøng ñieän qua noù baèng khoâng. Caùc linh kieän baùn daãn coù theå chuyeån ñoåi traïng thaùi laøm vieäc cuøa mình , ví duï töø traïng thaùi khoâng daãn ñieän (ngaét) sang traïng thaùi daãn ñieän (ñoùng) vaø ngöôïc laïi thoâng qua taùc duïng kích thích cuûa tín hieäu leân coång ñieàu khieån (ngoõ vaøo) cuûa linh kieän. Ta goïi linh kieän coù tính ñieàu khieån. Tín hieäu ñieàu khieån coù theå toàn taïi döôùi daïng doøng ñieän, ñieän aùp, aùnh saùng vôùi coâng suaát thöôøng nhoû hôn raát nhieàu so vôùi coâng suaát cuûa nguoàn vaø taûi. Trong tröôøng hôïp linh kieän khoâng chöùa coång ñieàu khieån vaø quaù trình chuyeån traïng thaùi laøm vieäc cuûa linh kieän xaûy ra döôùi taùc duïng cuûa nguoàn coâng suaát ôû ngoõ ra, ta goïi linh kieän thuoäc loaïi khoâng ñieàu khieån. Ví duï: diode, diac laø caùc linh kieän khoâng ñieàu khieån Neáu thoâng qua coång ñieàu khieån, tín hieäu chæ taùc ñoäng ñeán chöùc naêng ñoùng doøng ñieän maø khoâng theå taùc ñoäng laøm ngaét doøng ñieän qua noù, ta goïi linh kieän khoâng coù khaû naêng kích ngaét. Ví duï nhö thyristor, triac. 1-1
Ñieän töû coâng suaát 1 Ngöôïc laïi, caùc linh kieän coù theå thay ñoåi traïng thaùi töø daãn ñieän sang ngaét ñieän vaø ngöôïc laïi thoâng qua taùc duïng cuûa tín hieäu ñieàu khieån , ñöôïc goïi laø linh kieän coù khaû naêng kích ngaét (Self commutated device-taïm dòch linh kieän töï chuyeån maïch). Ñaïi dieän cho nhoùm linh kieän naøy laø transistor (BJT,MOSFET,IGBT), GTO(Gate-Turn-Off thyristor), IGCT,MCT,MTO. Treân ñaây, ta chöa ñeà caäp ñeán taùc duïng ñieän aùp vaø doøng ñieän cuûa maïch coâng suaát leân quaù trình chuyeån ñoåi traïng thaùi laøm vieäc cuûa linh kieän. Tín hieäu ñieàu khieån leân maïnh coång ñieàu khieån chæ coù taùc duïng khi traïng thaùi ñieän aùp ñaët vaøo hai cöïc chính ôû ngoõ ra cuûa linh kieän coù chieàu phaân cöïc vaø ñoä lôùn phuø hôïp. Vôùi nhöõng nhaän xeùt ôû treân, caùc linh kieän baùn daãn coâng suaát, theo chöùc naêng ñoùng vaø ngaét doøng ñieän vaø theo khaû naêng ñieàu khieån caùc chöùc naêng naøy, coù theå chia laøm 3 nhoùm chính: - Nhoùm moät: goàm caùc linh kieän khoâng ñieàu khieån nhö diode, diac; - Nhoùm hai: goàm caùc linh kieän ñieàu khieån kích ñoùng ñöôïc nhö thyristor, triac; - Nhoùm ba: goàm caùc linh kieän khieån kích ngaét ñöôïc nhö transistor (BJT,MOSFET,IGBT), GTO. Ngoaøi ra, daïng maïch phöùc hôïp goàm thyristor vaø boä chuyeån maïch cuõng coù khaû naêng ñoùng doøng ñieän cuõng nhö ngaét doøng ñieän qua noù nhôø taùc duïng cuûa caùc tín hieäu ñieàu khieån leân caùc coång ñieàu khieån. Veà khía caïnh ñieàu khieån, maïch phöùc hôïp naøy cuøng vôùi caùc linh kieän nhoùm ba taïo thaønh nhoùm coâng taéc töï chuyeån maïch. 1.2 - DIODE Moâ taû vaø chöcù naêng Diode ñöôïc caáu taïo thaønh bôûi moái noái PN. Lôùp p thieáu ñieän töû vaø chöùa phaàn töû mang ñieän daïng loã hoãng. Töông töï, lôùp n thöøa ñieän töû. Caùc lôùp pn trong caáu truùc diode ñaït ñöôïc baèng caùch theâm taïp chaát vaøo trong phieán silic. Ñeå taïo quaù trình daãn ñieän ñi qua moái noái p-n, caùc haït mang ñieän ñöôïc taïo thaønh vaø tham gia quaù trình daãn ñieän, moät ñieän aùp ñöôïc aùp duïng sao cho lôùp p maéc vaøo cöïc döông vaø lôùp n vaøo cöïc aâm. Löïc ñieän tröôøng laøm cho loã hoång töø lôùp p di chuyeån vöôït qua moái noái p-n ñeå vaøo lôùp n vaø caùc ñieän töû di chuyeån töø lôùp n vaøo lôùp p. Tröôøng hôïp phaân cöïc ngöôïc laïi, caùc loã hoång vaø ñieän töû bò keùo ra xa khoûi moái noái vaø taïo thaønh söùc ñieän ñoäng beân trong moái noái. Söùc ñieän ñoäng naøy taùc duïng khoâng cho doøng ñieän tích ñi qua diode - diode bò ngaét. Chieàu thuaän vaø chieàu nghòch: Neáu nhö diode ôû traïng thaùi daãn ñieän thì noù chòu taùc duïng cuûa ñieän aùp thuaän uF vaø cho doøng ñieän thuaän iF ñi qua. 1-2
Ñieän töû coâng suaát 1 Ñaëc tính V-A Ñaëc tính V-A cuûa diode ñöôïc veõ ôû hình H1.1 goàm hai nhaùnh. Nhaùnh thuaän: töông öùng vôùi traïng thaùi daãn ñieän. Caùc thoâng soá quan troïng cuûa noù laø ñieän aùp u(TO) (turn on) vaø ñieän trôû rF (differential forward resistance) ñöôïc xaùc ñònh taïi moät ñieåm tænh naøo ñoù cuûa ñaëc tính duF rF = diF Nhaùnh nghòch: töông öùng vôùi traïng thaùi nghòch, diode khoâng daãn ñieän. Caùc thoâng soá quan troïng cuûa noù laø ñieän trôû rR (differential reverse resistance) xaùc ñònh taïi moät ñieåm naøo ñoù cuûa ñaëc tính V-A. duR rR = diR vaø ñieän aùp ñaùnh thuûng ôû chieàu nghòch u(Br) (Breaking). Sau khi ñieän aùp vöôït qua giaù trò u(BR) thì giaù trò uR giaûm ñi raát nhieàu laàn. Giaù trò doøng sau ñoù seõ phuï thuoäc chuû yeáu vaøo ñieän aùp vaø ñieän trôû maïch coù chöùa diode trong ñoù. Neáu nhö doøng taêng quaù lôùn diode seõ bò hoûng. CAÙC TÍNH CHAÁT ÑOÄNG Trong caùc hieän töôïng quaù ñoä cuûa diode, quaù trình diode chuyeån töø traïng thaùi daãn sang traïng thaùi nghòch coù yù nghóa quan troïng. Hieän töôïng naøy goïi laø ngaét diode hoaëc quaù trình chuyeån maïch cuûa diode. Khi doøng thuaän qua diode taét nhanh (chaúng haïn 10A/us), quaù trình ngaét seõ khoâng dieãn ra theo ñaëc tính V-A. Quaù trình ngaét doøng nhanh coù theå theo doõi treân hình H1.2. Sau khi ñoùng khoùa S, nhaùnh chöùa diode thoâng ñeán ñieän aùp chuyeån maïch U : U taùc duïng taét nhanh doøng qua diode. Sau khi doøng ñieän thuaän iF giaûm veà 0, doøng ñieän qua diode khoâng taét ngay vaø tieáp tuïc daãn theo chieàu ngöôïc laïi vôùi toác ñoä giaûm ban ñaàu. Sau moät thôøi gian ngaén, khaû naêng daãn ñieän theo chieàu nghòch bò maát vaø doøng ñieän giaûm ñoät ngoät ñeán giaù trò cuûa doøng ñieän nghòch (nhoû khoâng ñaùng keå ) - diode coù khaû naêng chòu aùp nghòch, ñieän trôû nghòch rR cuûa noù ñöôïc khoâi phuïc. Treân hình veõ H1.2 thôøi gian trr (reverse recovering) laø thôøi gian phuïc hoài tính nghòch. Doøng irr ñi qua diode trong thôøi gian trr laø doøng chuyeån maïch hoaëc doøng phuïc hoài . Thôøi gian phuïc hoài tính nghòch caøng lôùn neáu nhö giaù trò ñieän tích chuyeån maïch Qr caøng lôùn. Ñieän tích Qr cuûa diode ñöôïc ñònh nghóa nhö sau: trr Q = r ∫ irr dt 0 Ñoä lôùn Qr phuï thuoäc vaøo caáu truùc cuûa phieán baùn daãn Si vaø coâng ngheä saûn xuaát noù. Ngoaøi ra coøn phaûi keå ñeán caùc yeáu toá khaùc nhö ñoä lôùn cuûa doøng thuaän qua diode, toác ñoä giaûm doøng ñieän vaø nhieät ñoä lôùp PN. Doøng ñieän phuïc hoài khi giaûm quaù nhanh töø giaù trò cöïc ñaïi irrM seõ gaây ra phaûn ñieän aùp treân khaùng L noái tieáp vôùi diode (khoâng theå hieän treân hình veõ). Ñieän aùp naøy keát hôïp vôùi aùp chuyeån maïch seõ gaây ra quaù aùp khi chuyeån maïch. Ñoä lôùn cuûa quaù aùp uRM coù theå ñöôïc haïn cheá baèng boä loïc RC . Maïch RC taùc duïng sau khi phuïc hoài ñieän trôû nghòch cuûa diode laøm cho quaù trình taét doøng qua caûm khaùng L dieãn ra chaäm hôn. Ñieän trôû R taùc duïng nhö thaønh phaàn taét daàn trong maïch L,C,U. 1-3
Ñieän töû coâng suaát 1 Moät heä quaû quan troïng laø coâng suaát toån hao khi ngaét diode. Giaù trò coâng suaát töùc thôøi naøy ñöôïc tính baèng tích cuûa doøng vaø aùp cuûa diode. Trong thôøi gian ñieän aùp nghòch taêng leân, doøng chuyeån maïch ñi qua diode lôùn. Giaù trò coâng suaát toån hao töùc thôøi vì theá seõ lôùn. Khaû naêng chòu taûi Ñieän aùp ñònh möùc: ñöôïc xaùc ñònh bôûi ñieän theá nghòch cöïc ñaïi URRM. Ñoù laø ñieän aùp nghòch lôùn nhaát coù theå laäp laïi tuaàn hoaøn treân diode. Khi thieát keá maïch baûo veä choáng laïi quaù aùp nghòch ngaãu nhieân, ta ñònh möùc theo ñieän theá nghòch khoâng theå laäp laïi uRSM. Khi diode laøm vieäc, ta khoâng cho pheùp xuaát hieän aùp lôùn hôn uRSM. Doøng ñieän ñònh möùc: diode khi hoaït ñoäng phaùt sinh toån hao. Toån hao chuû yeáu do doøng thuaän gaây ra. Toån hao do doøng nghòch gaây ra khoâng ñaùng keå vaø coâng suaát toån hao do quaù trình ngaét seõ coù ñoä lôùn ñaùng keå khi taàn soá ñoùng ngaét lôùn hôn khoaûng 400Hz. Coâng suaát toån hao toång khoâng ñöôïc pheùp laøm noùng maïch diode leân quaù nhieät ñoä cöïc ñaïi VjM, neáu khoâng lôùp PN seõ bò phaù hoûng . Vì theá diode ñöôïc laøm maùt vaø khaû naêng chòu doøng cuûa noù bò giôùi haïn bôûi trò trung bình cöïc ñaïi cuûa doøng thuaän iF(AV)M . Ñoái vôùi töøng loaïi diode vaø ñieàu kieän laøm maùt, caùc nhaø saûn xuaát thöôøng ñöa ra caùc ñaëc tính IFAVM = f (Tamb) (Tamb laø nhieät ñoä moâi tröôøng). Ñoái vôùi nhöõng ñaëc tính khaùc nhau naøy, thoâng soá ñöôïc choïn laø hình daïng cuûa doøng qua diode. Giaù trò IFAV öùng vôùi nhieät ñoä Tamb vaø ñieàu kieän laøm maùt cho tröôùc vaø öùng vôùi daïng nöûa soùng sin cuûa doøng (50Hz) ñöôïc goïi laø doøng ñaëc tröng cuûa diode. Khaû naêng chòu doøng cuûa diode hieän nay khoaûng vaøi ngaøn ampere. Khaû naêng chòu quaù doøng: ñöôïc cho ôû daïng ñoà thò quaù doøng IFSM = f(t), öùng vôùi moät giaù trò doøng vöôït quaù möùc bình thöôøng, ñoà thò cho bieát khoaûng thôøi gian maø diode coù khaû naêng chòu ñöôïc maø khoâng bò hoûng. Giaù trò quaù doøng cho pheùp ñöôïc goïi laø doøng thuaän cöïc ñaïi khoâng theå laëp laïi ñöôïc IFSM. Öùng vôùi nhieät ñoä ban ñaàu cho tröôùc cuûa baûn baùn daãn vaø trò cuûa aùp nghòch, giaù trò IFSM cho bieát ñoä lôùn cuûa doøng thuaän chòu ñöôïc trong thôøi gian xaùc ñònh. Moät thoâng soá khaùc aûnh höôûng leân khaû naêng quaù doøng laø naêng löôïng tieâu hao , xaùc ñònh baèng tích phaân theo thôøi gian cuûa haøm IF bình phöông. Löôïng naêng löôïng naøy tæ leä vôùi naêng löôïng maø baûn baùn daãn coù khaû naêng haáp thuï döôùi daïng nhieät trong thôøi gian qui ñònh 2 (khoaûng 10ms) maø khoâng bò hoûng. Töø ñaëc tính IFSM(t) vaø ∫ IF .dt , ta coù theå thieát keá maïch baûo veä quaù doøng cho diode. Gheùp noái tieáp vaø song song caùc diode ñöôïc thöïc hieän khi khaû naêng chòu aùp vaø doøng cuûa caùc diode khoâng ñaùp öùng ñöôïc nhu caàu ñaët ra. Khi gheùp noái tieáp , ta caàn ñaûm baûo tính phaân boá ñieän theá ñeàu treân caùc diode. Caùc diode ñaëc bieät 1. Schottky diode: ñoä suït aùp theo chieàu thuaän thaáp (khoaûng 0,3V). Do ñoù, noù ñöôïc söû duïng cho caùc maïch ñieän aùp thaáp. Ñieän aùp ngöôïc chòu ñöôïc khoaûng 50- 100V 2. Diode phuïc hoài nhanh: ñöôïc aùp duïng trong caùc maïch hoaït ñoäng taàn soá cao. Khaû naêng chòu aùp ñeán vaøi ngaøn volt vaø doøng vaøi traêm amper, thôøi gian phuïc hoài trr khoaûng vaøi µs. 3. Diode taàn soá coâng nghieäp: caùc diode taàn soá coâng nghieäp ñöôïc cheá taïo ñeå ñaït ñoä suït aùp thaáp khi daãn ñieän. Heä quaû, thôøi gian trr taêng leân. Khaû naêng chòu aùp cuûa chuùng khoaûng vaøi kilovolt vaø doøng ñieän vaøi kiloamper. Baûng 1.1 Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa diode Loïai Aùp ñònh möùc Doøng trung bình VF (ñaëc tröng) trr (max) 1-4
Ñieän töû coâng suaát 1 lôùn nhaát ñònh möùc Diode phuïc hoài nhanh 1N3913 400V 30A 1.1V 400ns SD453N25S20PC 2500V 400A 2,2V 3 µs Diode phuïc hoài ñaëc bieât nhanh MUR815 150V 8A 0,975V 35ns MUR1560 600V 15A 1.2V 60ns RHRU100120 1200V 100A 2.6V 60ns Diode Schottky MBR6030L 30V 60A 0.48V 444CNQ045 45V 440A 0.69V 30CPQ150 150V 30A 1.19V 1.3-TRANSISTOR BJT COÂNG SUAÁT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR) Transistor coù hai lôùp PN, döïa theo caáu taïo lôùp naøy ta phaân bieät hai loaïi transistor: transistor PNP vaø transistor NPN. Caùc lôùp PN giöõa töøng ñieän cöïc ñöôïc goïi laø lôùp emitter J1 vaø lôùp collector J2. Moãi lôùp coù theå ñöôïc phaân cöïc theo chieàu thuaän hoaëc chieàu nghòch döôùi taùc duïng cuûa ñieän theá ngoaøi. Söï dòch chuyeån cuûa doøng collector ic khi qua lôùp bò phaân cöïc nghòch chòu aûnh höôûng raát lôùn cuûa doøng kích iB daãn qua lôùp phaân cöïc thuaän. Hieän töôïng naøy taïo thaønh tính chaát cô baûn ñöôïc söû duïng nhieàu cuûa transistor vaø ñöôïc goïi laø hieän töôïng ñieàu cheá ñoä daãn ñieän cuûa lôùp bò phaân cöïc nghòch. Trong laõnh vöïc ñieän töû coâng suaát, transistor BJT ñöôïc söû duïng nhö coâng taéc (khoùa) ñoùng ngaét caùc maïch ñieän vaø phaàn lôùn ñöôïc maéc theo daïng maïch coù chung emitter. Treân ñieän cöïc B,E laø ñieän aùp ñieàu khieån uBE. Caùc ñieän cöïc C.E ñöôïc söû duïng laøm coâng taéc ñoùng môû maïch coâng suaát. Ñieän theá ñieàu khieån phaûi taùc duïng taïo ra doøng iB ñuû lôùn ñeå ñieän aùp giöõa coång CE ñaït giaù trò baèng zero ( uCE → 0). 1-5
Ñieän töû coâng suaát 1 Ñaëc tính V-A trong maïch coù chung emitter Ñaëc tính V-A ngoõ ra cuûa transistor maéc chung cöïc emitter. Ñaëc tính ngoõ ra (output characteristic) -hình H1.4a,b -bieåu dieãn quan heä cuûa caùc ñaïi löôïng ngoõ ra IC = f(UCE). Thoâng soá bieán thieân laø doøng kích iB. Caùc ñaëc tính ngoõ ra ñöôïc veõ cho caùc giaù trò khaùc nhau cuûa iB trong vuøng 1 cuûa heä toïa ñoä. Trong vuøng toïa ñoä naøy coøn veõ ñöôøng thaúng bieåu dieãn ñaëc tính taûi UCE = U - R.IC. Giao ñieåm cuûa ñöôøng thaúng naøy vaø ñaëc tính ngoõ ra (öùng vôùi trò thieát laäp iB) seõ xaùc ñònh ñieåm laøm vieäc goàm doøng IC vaø ñieän theá uCE. Trong vuøng chöùa caùc ñaëc tính ngoõ ra, ta phaân bieät vuøng nghòch, vuøng baõo hoøa vaø vuøng tích cöïc. Vuøng nghòch: ñaëc tính ra vôùi thoâng soá iB = 0 naèm trong vuøng naøy. Transistor ôû cheá ñoä ngaét. Doøng collector iCO coù giaù trò nhoû khoâng ñaùng keå ñi qua transistor vaø taûi. Khi uBE 0. Neáu nhö ñieåm laøm vieäc naèm trong vuøng baõo hoøa (xem ñieåm ÑOÙNG), transistor seõ ñoùng, doøng iC daãn vaø ñieän theá uCE ñaït giaù trò uCESAT nhoû khoâng ñaùng keå (khoûang 1-2 V) vaø nhö vaäy, khi thöïc hieän taêng doøng ñieän kích IB>IBsat, doøng ñieän qua collector haàu nhö khoâng thay ñoåi. Ñieän theá uCESAT goïi laø ñieän theá baõo hoøa vaø ta noùi raèng transistor ôû traïng thaùi baõo hoøa. Vuøng tích vöïc: laø vuøng maø transistor hoaït ñoäng ôû cheá ñoä khueách ñaïi tín hieäu, töông öùng vôùi caùc giaù trò laøm vieäc uCE > uCESAT vaø doøng iC>IC0. Moái quan heä giöõa hai ñaïi löôïng uCE vaø IC phuï thuoäc vaøo taûi vaø doøng iB. Khi transistor laøm vieäc nhö moät coâng taéc ñoùng môû (switching), ñieåm laøm vieäc cuûa noù seõ khoâng naèm trong vuøng naøy. Heä soá khueách ñaïi trong maïch coù chung emitter Heä soá khueách ñaïi tónh cuûa doøng: ñöôïc ñònh nghóa taïi moät ñieåm laøm vieäc (IC,IB)UCE=const (khi UCE = haèng soá ) bôûi tham soá hFE: hFE = IC/IB Heä soá naøy coøn ñöôïc kyù hieäu laø β. Heä soá hFE xaùc ñònh ñoä doác cuûa ñöôøng thaúng ñi qua goùc toïa ñoä vaø ñieåm laøm vieäc treân ñaëc tính chuyeån ñoåi IC(IB). Heä soá khueách ñaïi tónh tôùi haïn: laø giaù trò hFE khi ñieåm laøm vieäc naèm treân ranh giôùi baõo hoøa vaø ñöôïc kyù hieäu laø hFESAT. 1-6
Ñieän töû coâng suaát 1 Khi tính toaùn doøng ñieän kích ñoùng transistor, ta duøng heä soá hFESAT xaùc ñònh cho ñieåm laøm vieäc naèm trong vuøng baõo hoøa. Giaû söû trong vuøng baûo hoøa, ÑOÙNG (hình H1.4a) laø ñieåm laøm vieäc vôùi doøng ñieän qua collector ICS vaø heä soá hFESAT ñöôïc thieát laäp töông öùng vôùi ñieåm B. Doøng ñieän kích ñoùng transistor ñöôïc xaùc ñònh theo heä thöùc: ICS IBS = hFESAT Doøng ICS ñöôïc xaùc ñònh töø phöông trình ñieän aùp maïch taûi: U − U i = CESAT CS R Maïch kích phaûi taïo doøng IB ñuû lôùn sao cho : ICS IB > IBS = hFESAT Trong thöïc teá, ñoä lôùn doøng kích ñöôïc thieát laäp vôùi heä soá an toaøn ks. k S .IC IB = hFESAT Heä soá ks =2 →5 ñöôïc choïn ñeå vieäc kích ñoùng an toøan khi xeùt ñeán caùc aûnh höôûng khaùc nhau laøm thay ñoåi thoâng soá cuûa transistor vaø caùc transisor cuøng loïai cuõng coù söï sai bieät tham soá do ñieàu kieän cheá taïo thöïc teá. Vieäc ñöa heä soá naøy ñaûm baûo caùc transistor cuøng loaïi ñeàu ñaït ñöôïc traïng thaùi baõo hoøa. Toån hao phaùt sinh khi transistor daãn ñieän: PT = U BE .IBE + UCE .IC Vieäc taêng heä soá ks quaù lôùn seõ khoâng laøm giaûm ñieän aùp UCE bao nhieâu nhöng noù coù theå laøm taêng ñaùng keå ñieän aùp UBE vaø coâng suaát toån hao ôû maïch coång naøy. Caùc transistor coâng suaát lôùn coù heä soá hFE chæ khoaûng 10- 20. Do ñoù, ñeå giaûm bôùt doøng kích IB, töùc taêng hFE coù theå gheùp noái tieáp caùc transistor coâng suaát theo caáu hình Darlington (hình H1.6). Baát lôïi cuûa caáu hình Darlington laø ñoä suït aùp UCE ôû cheá ñoä ñoùng cuûa transistor bò taêng leân vaø taàn soá ñoùng ngaét bò giaûm. Caùc transistor Darlington coù thôøi gian treã khi ñoùng vaø ngaét töø vaøi traêm ns ñeán vaøi µs. Heä soá hFEESAT ñaït ñeán giaù trò vaøi traêm. Caùc tính chaát ñoäng 1-7
Ñieän töû coâng suaát 1 Khaûo saùt caùc hieän töôïng quaù ñoä khi ñoùng vaø ngaét transistor coù yù nghóa quan troïng. Quaù trình doøng collector IC khi kích ñoùng coù daïng xung vuoâng veõ treân hình H1.5. Thôøi gian ñoùng ton keùo daøi khoaûng vaøi µs. Thôøi gian ngaét toff vöôït quaù 10µs. Moät heä quaû baát lôïi trong caùc hieän töôïng quaù ñoä laø vieäc taïo neân coâng suaát toån hao do ñoùng vaø ngaét transistor. Coâng suaát toån hao laøm giôùi haïn daõy taàn soá hoaït ñoäng cuûa transistor. Giaù trò töùc thôøi cuûa coâng suaát toån hao trong quaù trình ñoùng ngaét töông ñoái lôùn, vì doøng ñieän ñi qua transistor lôùn vaø ñieän aùp treân transistor ôû traïng thaùi cao. Ñeå theo doõi moät caùch ñôn giaûn, ta coù theå hình dung quaù trình ñoùng ngaét nhö söï chuyeån ñoåi ñieåm laøm vieäc töø vò trí NGAT ñeán vò trí Ñ0NG (hoaëc ngöôïc laïi) xuyeân qua vuøng tích cöïc (hình H1.5). Quaù trình naøy keùo daøi trong thôøi gian ton hoaëc toff. Khaû naêng chòu taûi : Ñònh möùc ñieän aùp: phuï thuoäc vaøo ñieän aùp ñaùnh thuûng caùc lôùp baùn daãn vaø xaùc ñònh bôûi giaù trò uCEOM -giaù trò ñieän theá cöïc ñaïi ñaët leân lôùp collector-emitter khi iB = 0 vaø giaù trò cöïc ñaïi uEBOM - ñieän theá lôùp emitter-base khi iC = 0. Caùc giaù trò naøy laø nhöõng trò töùc thôøi. Ta caàn phaân bieät chuùng trong tröôøng hôïp taûi daïng moät chieàu khoâng ñoåi theo thôøi gian vaø caùc taûi xung, maëc daàu thoâng thöôøng trong caû hai tröôøng hôïp caùc ñieän aùp ñöôïc thieát laäp gioáng nhau. Ñònh möùc doøng ñieän: giaù trò cöïc ñaïi cuûa doøng collector iCM, doøng emitter iEM vaø doøng kích iBM. Ñoù laø caùc giaù trò cöïc ñaïi töùc thôøi cuûa transistor khi ñoùng trong traïng thaùi baõo hoøa. Khi thieát laäp chuùng, ta xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa caùc moái tieáp xuùc, daây daãn tôùi ñieän cöïc vaø caùc giaù trò hFEsat, uCEsat. Coâng suaát toån hao: coâng suaát toån hao taïo neân trong hoaït ñoäng cuûa transistor khoâng 0 ñöôïc pheùp laøm noùng baùn daãn vöôït quaù giaù trò nhieät ñoä cho pheùp TjM (TjM =150 C). Vì theá, caàn laøm maùt transistor vaø toaøn boä coâng suaát toån hao phaûi nhoû hôn PtotM. Coâng suaát toån hao chuû yeáu do coâng suaát toån hao treân collector, PC= UCE.ICE taïo ra (caùc thaønh phaàn khaùc cuûa Ptot thöôøng boû qua ). Giaù trò PtotM phuï thuoäc vaøo phöông phaùp laøm maùt vaø ñöôïc cho döôùi daïng haøm soá Ptot =f(Tamb) (Tamb laø nhieät ñoä moâi tröôøng ), thoâng soá laø UCE . Coâng suaát toån hao hình thaønh khi transistor daãn baõo hoøa, ngay caû khi IC = ICM, raát nhoû so vôùi giaù trò PtotM. Coâng suaát toån hao khi transistor ngaét thöôøng khoâng ñaùng keå. Trong cheá ñoä xung, khi taàn soá ñoùng ngaét cao vaø vöôït quaù giaù trò chaúng haïn 2000 Hz thì coâng suaát toån hao trung bình do ñoùng ngaét coù theå ñaït giaù trò ñaùng keå vaø laøm cho coâng suaát toån hao toång coù theå vöôït hôn PtotM. Maïch kích Transistor BJT Ñeå taêng taàn soá ñoùng ngaét cuûa transistor coâng suaát, caàn giaûm thôøi gian ton,toff. Ñeå giaûm ton ta coù theå ñöa xung doøng kích IB vôùi ñænh khaù lôùn ñaàu giai ñoaïn kích. Sau khi transistor daãn, coù theå giaûm doøng kích IB ñeán giaù trò doøng baõo hoøa. Ñieàu khieån kích ñoùng: Gai doøng ñieän kích coù theå ñaït ñöôïc baèng maïch (H1.7). Khi xung ñieän aùp UB ñöa vaøo, doøng ñieän qua coång B bò giôùi haïn bôûi ñieän trôû R1. 1-8
Ñieän töû coâng suaát 1 U1 −U BE IBO = R1 Sau thôøi gian quaù ñoä, doøng IB coù giaù trò: U1 − U BE IB1 = R1 + R2 Tuï C1 ñöôïc naïp ñeán ñoä lôùn R2 UC ≈ UB R1 + R2 Haèng soá thôøi gian naïp tuï: R .R .C τ = 1 2 1 1 R1 + R2 Neáu nhö ta cho ñieän aùp UB veà 0, lôùp BE bò phaân cöïc ngöôïc vaø tuï C1 phoùng qua R2 . Haèng soá thôøi gian xaû tuï laø τ2 = R2.C1 Ñeå ñuû thôøi gian naïp vaø xaû tuï, ñoä roäng xung phaûi thoûa maõn : t1 ≥ 5.ι1 t2 ≥ 5.ι2 Do ñoù, taàn soá ñoùng ngaét lôùn nhaát 1 1 0,2 f3 = = = T t1 + t2 τ1 + τ 2 Ñieàu kieän kích ngaét: Neáu ñieän aùp UB giaûm xuoáng giaù trò aâm U2 < 0, ñieän aùp ngöôïc ñaët leân BE baèng toång ñieän aùp UB vaø UC. Gai doøng IB xuaát hieän, sau khi tuï C1 xaû heát, ñieän aùp treân BE xaùc laäp baèng U2. Neáu caàn thieát laäp quaù trình kích ñoùng vaø kích ngaét rieâng bieät, ta coù theå söû duïng maïch sau (H1.8): 1-9
Ñieän töû coâng suaát 1 Diode D1 baûo veä maïch coång cuûa transistor trong thôøi gian kích ngaét Maïch caùch ly tín hieäu ñieàu khieån vaø maïch kích : Caùc maïch phaùt ra tín hieäu ñeå ñieàu khieån maïch coâng suaát duøng baùn daãn thöôøng yeâu caàu caùch ly veà ñieän. Ñieàu naøy coù theå thöïc hieän baèng optron hoaëc baèng bieán aùp xung. Bieán aùp xung: goàm moät cuoän sô caáp vaø coù theå nhieàu cuoän thöù caáp. Vôùi nhieàu cuoän daây phía thöù caáp, ta coù theå kích ñoùng nhieàu transistor maéc noái tieáp hoaëc song song. Sô ñoà nguyeân lyù maïch caùch ly tín hieäu ñieàu khieån duøng bieán aùp xung ñöôïc veõ treân hình H1.9. Bieán aùp xung caàn coù caûm khaùng taûn nhoû vaø ñaùp öùng nhanh. Trong tröôøng hôïp xung ñieàu khieån coù caïnh taùc ñoäng keùo daøi hoaëc taàn soá xung ñieàu khieån thaáp, bieán aùp xung sôùm ñaït traïng thaùi baõo hoøa vaø ngoõ ra cuûa noù khoâng thoûa maõn yeâu caàu ñieàu khieån. Optron: goàm nguoàn phaùt tia hoàng ngoaïi duøng diode (ILED) vaø maïch thu duøng phototransistor. Tín hieäu xung ñieàu khieån ñöôïc ñöa vaøo LED vaø ngoõ ra ñöôïc daãn töø phototransistor (H1.10). 1-10
Ñieän töû coâng suaát 1 Thôøi gian ton cuûa phototransistor khoaûng 2-5µs, toff = 300ns. Maïch duøng optron ñoøi hoûi phaûi taïo nguoàn rieâng cho noù. Do ñoù, maïch phöùc taïp vaø toán keùm hôn. Maïch baûo veä BJT Daïng maïch baûo veä BJT tieâu bieåu ñöôïc veõ treân hình H1.11. Taùc duïng cuûa maïch nhaèm baûo veä transistor tröôùc caùc hieän töôïng taêng quaù nhanh cuûa du di ñieän aùp vaø doøng ñieän − qua transistor. dt dt du Maïch RC coù taùc duïng haïn cheá ñoä doác giöõa hai cöïc CE. Cuoän khaùng LS thöïc hieän dt di giaûm söï taêng nhanh doøng qua BJT. dt 1.4 - MOSFET (METAL - OXIDE - SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR) Loïai transistor coù khaû naêng ñoùng ngaét nhanh vaø toån hao do ñoùng ngaét thaáp ñöôïc goïi laø Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) vôùi coång ñieàu khieån baèng ñieän tröôøng (ñieän aùp). MOSFET ñöôïc söû duïng nhieàu trong caùc öùng duïng coâng suaát nhoû (vaøi kW) vaø khoâng thích hôïp söû duïng cho caùc öùng duïng coù coâng suaát lôùn. Tuy nhieân, linh kieän MOSFET khi keát hôïp vôùi coâng ngheä linh kieän GTO laïi phaùt huy hieäu quaû cao vaø chuùng keát hôïp vôùi nhau taïo neân linh kieän MTO coù öùng duïng cho caùc taûi coâng suaát lôùn. MOSFET coù hai loïai pnp vaø npn. Treân hình H1.12 moâ taû caáu truùc MOSFET loïai npn. Giöõa lôùp kim loïai maïch coång vaø caùc moái noái n+ vaø p coù lôùp ñieän moâi silicon oxid SiO. Ñieåm thuaän lôïi cô baûn cuûa MOSFET laø khaû naêng ñieàu khieån kích ñoùng ngaét linh kieän baèng xung ñieän aùp ôû maïch coång. Khi ñieän aùp döông aùp ñaët leân giöõa coång G vaø Source, taùc duïng cuûa ñieän tröôøng (FET) seõ keùo caùc electron töø lôùp n+ vaøo lôùp p taïo ñieàu kieän hình thaønh moät keânh noái gaàn coång nhaát, cho pheùp doøng ñieän daãn töø cöïc drain (collector) tôùi cöïc Source (emitter). MOSFET ñoøi hoûi coâng suaát tieâu thuï ôû maïch coång kích thaáp, toác ñoä kích ñoùng nhanh vaø toån hao do ñoùng ngaét thaáp. Tuy nhieân, MOSFET coù ñieän trôû khi daãn ñieän lôùn. Do ñoù, coâng suaát toån hao khi daãn ñieän lôùn laøm noù khoâng theå phaùt trieån thaønh linh kieän coâng suaát lôùn. 1-11
Ñieän töû coâng suaát 1 Ñaëc tính V-A linh kieän loaïi n ñöôïc veõ treân hình H1.12, coù daïng töông töï vôùi ñaëc tính V-A cuûa BJT. Ñieåm khaùc bieät laø tham soá ñieàu khieån laø ñieän aùp kích UGS thay cho doøng ñieän kích IBE. MOSFET ôû traïng thaùi ngaét khi ñieän aùp coång thaáp hôn giaù trò UGS. Ñeå MOSFET ôû traïng thaùi ñoùng, ñoøi hoûi ñieän aùp coång taùc duïng lieân tuïc. Doøng ñieän ñi vaøo maïch coång ñieàu khieån khoâng ñaùng keå tröø khi maïch ôû traïng thaùi quaù ñoä, ñoùng hoaëc ngaét doøng. Luùc ñoù xuaát hieän doøng phoùng vaø naïp ñieän cho tuï cuûa maïch coång. Thôøi gian ñoùng ngaét raát nhoû, khoaûng vaøi ns ñeán haøng traêm ns phuï thuoäc vaøo linh kieän. Ñieän trôû trong cuûa MOSFET khi daãn ñieän Ron thay ñoåi phuï thuoäc vaøo khaû naêng chòu aùp cuûa linh kieän. Do ñoù, caùc linh kieän MOSFET thöôøng coù ñònh möùc aùp thaáp töông öùng vôùi trôû khaùng trong nhoû vaø toån hao ít. Tuy nhieân, do toác ñoä ñoùng ngaét nhanh, toån hao phaùt sinh thaáp. Do ñoù, vôùi ñònh möùc aùp töø 300V- 400V MOSFET toû ra öu ñieåm so vôùi BJT ôû taàn soá vaøi chuïc kHz. MOSFET coù theå söû duïng ñeán möùc ñieän aùp 1000V, doøng ñieän vaøi chuïc amper vaø vôùi möùc ñieän aùp vaøi traêm volt vôùi doøng cho pheùp ñeán khoaûng 100A. Ñieän aùp ñieàu khieån toái ña ± 20V (2V,5V,10V tuøy theo loaïi), maëc duø thoâng thöôøng coù theå duøng aùp ñeán 5V ñeå ñieàu khieån ñöôïc noù. Caùc linh kieän MOSFET coù theå ñaáu song song ñeå môû roäng coâng suaát. Maïch kích MOSFET Ñeå giaûm thôøi gian kích ñoùng ton cuûa MOSFET ta coù theå söû duïng daïng maïch (H1.13a) Khi taùc duïng ñieän aùp uG , doøng ñieän tích ñieän ban ñaàu cho tuï maïch coång G: UG IG = RS Sau ñoù ñieän aùp xaùc laäp treân coång laø UG.RG UGS = RS + R1 + RG RS laø ñieän trô ûtrong cuûa maïch kích. 1-12
Ñieän töû coâng suaát 1 Sô ñoà maïch kích ñöôïc caûi thieän treân hình H1.13b söû duïng caáu truùc totem-pole goàm 2 transistor NPN vaø PNP. Khi ñieän aùp kích U1 ôû möùc cao, Q1 daãn vaø Q2 khoùa laøm MOSFET daãn. Khi tin hieäu U1 thaáp, Q1 ngaét, Q2 daãn laøm caùc ñieän tích treân maïch coång ñöôïc phoùng thích vaø MOSFET trôû neân ngaét ñieän. Tín hieäu U1 coù theå laáy töø maïch collector môû (open- collector TTL) vaø totem-pole ñoùng vai troø maïch ñeäm (buffer). Töông töï nhö BJT, maïch kích coång G cuûa MOSFET coù theå ñöôïc caùch ly vôùi maïch taïo tín hieäu ñieàu khieån thoâng qua bieán aùp xung, optron hoaëc caùp quang (H1.14a,b). Maïch baûo veä MOSFET Caáu taïo khaùc bieät cuûa MOSFET so vôùi BJT laøm cho linh kieän hoaït ñoäng toát maø khoâng caàn baûo veä nhieàu nhö BJT. Tuy nhieân, ta coù theå söû duïng maïch RC nhoû maéc song song vôùi ngoõ ra cuûa linh kieän ñeå haïn cheá taùc duïng caùc gai ñieän aùp vaø caùc xung nhieãu dao ñoäng xuaát hieän khi linh kieän ñoùng. Baûng 1.2 Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa MOSFET Loïai Ñieän aùp ñònh Doøng trung bình Ron Qg (ñaëc tröng) möùc lôùn nhaát ñònh möùc IRFZ48 60V 50A 0.018 Ω 110nC 1-13
Ñieän töû coâng suaát 1 IRF510 100V 5.6A 0.54 Ω 8.3nC IRF540 100V 28A 0.077 Ω 72nC APT10M25BNR 100V 75A 0.025 Ω 171nC IRF740 400V 10A 0.55 Ω 63nC MTM15N40E 400V 15A 0.3 Ω 110nC APT5025BN 500V 23A 0.25 Ω 83nC APT1001RBNR 1000V 11A 1.0 Ω 150nC *Qg: löôïng ñieän tích ñöôïc naïp vaø phoùng töø ñieän dung ôû ngoõ vaøo khi thöïc hieän kích ñoùng vaø ngaét transistor. Coâng suaát toån hao maïch coång phuï thuoäc vaøo ñaïi löôïng Qg theo heä thöùc: PG = Qg .UGS .fs ; fs laø taàn soá ñoùng ngaét transistor. 1.5 - IGBT ( INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR ) IGBT coù kyù hieäu, maïch ñieän töông ñöông veõ treân hình H1.15. IGBT laø transistor coâng suaát hieän ñaïi, cheá taïo treân coâng ngheä VLSI, cho neân kích thöôùc goïn nheï. Noù coù khaû naêng chòu ñöôïc ñieän aùp vaø doøng ñieän lôùn cuõng nhö taïo neân ñoä suït aùp vöøa phaûi khi daãn ñieän. IGBT coù phaàn töû MOS vôùi coång caùch ñieän ñöôïc tích hôïp trong caáu truùc cuûa noù. Gioáng nhö thyristor vaø GTO, noù coù caáu taïo goàm hai transistor. Vieäc ñieàu khieån ñoùng vaø ngaét IGBT ñöôïc thöïc hieän nhôø phaàn töû MOSFET ñaáu noái giöõa hai cöïc transistor npn. Vieäc kích daãn IGBT ñöôïc thöïc hieän baèng xung ñieän aùp ñöa vaøo coång kích G. Ñaëc tính V-A cuûa IGBT coù daïng töông töï nhö ñaëc tính V-A cuûa MOSFET. Khi taùc duïng leân coång G ñieän theá döông so vôùi emitter ñeå kích ñoùng IGBT, caùc haït mang ñieän loaïi n ñöôïc keùo vaøo keânh p gaàn coång G laøm giaøu ñieän tích maïch coång p cuûa transistor npn vaø laøm cho transistor naøy daãn ñieän. Ñieàu naøy seõ laøm IGBT daãn ñieän. Vieäc ngaét IGBT coù theå thöïc hieän baèng caùch khoùa ñieän theá caáp cho coång kích ñeå ngaét keânh daãn p. Maïch kích cuûa IGBT vì theá raát ñôn giaûn. Öu ñieåm cuûa IGBT laø khaû naêng ñoùng ngaét nhanh, laøm noù ñöôïc söû duïng trong caùc boä bieán ñoåi ñieàu cheá ñoä roäng xung taàn soá cao. Maëc khaùc, vôùi caáu taïo cuûa moät transistor, IGBT coù ñoä suït aùp khi daãn ñieän lôùn hôn so vôùi caùc linh kieän thuoäc daïng thyristor nhö GTO. Tuy nhieân, IGBT hieän chieám vò trí quan troïng trong coâng nghieäp vôùi hoïat ñoäng trong phaïm vi coâng suaát ñeán 10MW hoaëc cao hôn nöõa. 1-14
Ñieän töû coâng suaát 1 Coâng ngheä cheá taïo IGBT phaùt trieån taêng nhanh coâng suaát cuûa IGBT ñaõ giuùp noù thay theá daàn GTO trong moät soá öùng duïng coâng suaát lôùn. Ñieàu naøy coøn daãn ñeán caùc caûi tieán hôn nöõa coâng ngheä cuûa GTO vaø taïo neân caùc daïng caûi tieán cuûa noù nhö MTO,ETO vaø IGCT. Gioáng nhö MOSFET, linh kieän IGBT coù ñieän trôû maïch coång lôùn laøm haïn cheá coâng suaát toån hao khi ñoùng vaø ngaét. Gioáng nhö BJT, linh kieän IGBT coù ñoä suït aùp khi daãn ñieän thaáp (∼2→3V; 1000V ñònh möùc) nhöng cao hôn so vôùi GTO. Khaû naêng chòu aùp khoùa tuy cao nhöng thaáp hôn so vôùi caùc thyristor. IGBT coù theå laøm vieäc vôùi doøng ñieän lôùn. Töông töï nhö GTO, transistor IGBT coù khaû naêng chòu aùp ngöôïc cao. So vôùi thyristor, thôøi gian ñaùp öùng ñoùng vaø ngaét IGBT raát nhanh, khoaûng moät vaøi µs vaø khaû naêng chòu taûi ñeán 4,5kV-2.000A. Hieän nay coâng ngheä cheá taïo IGBT ñang ñöôïc ñaëc bieät phaùt trieån ñeå ñaït deán möùc ñieän aùp vaøi ngaøn Volt (6kV) vaø doøng ñieän vaøi ngaøn Amper. IGBT coù khaû naêng hoaït ñoäng toát khoâng caàn ñeán maïch baûo veä. Trong tröôøng hôïp ñaëc bieät, coù theå söû duïng maïch baûo veä cuûa MOSFET aùp duïng cho IGBT. Modul IGBT thoâng minh (Intelligent Power Modul): ñöôïc cheá taïo bôûi coâng ngheä tích hôïp cao. Treân modul chöùa ñöïng phaàn töû IGBT, maïch kích laùi, maïch baûo veä, caûm bieán doøng ñieän. Caùc modul naøy ñaït ñoä tin caäy raát cao. Maïch kích IGBT ñöôït thieát keá töông töï nhö maïch kích cho MOSFET. Do giaù thaønh IGBT cao, vaø ñaëc bieät cho coâng suaát lôùn, maïch kích laùi IGBT ñöôïc cheá taïo döôùi daïng IC coâng nghieäp. Caùc IC naøy coù khaû naêng töï baûo veä choáng quaù taûi, ngaén maïch, ñöôïc cheá taïo tích hôïp daïng modul rieâng (1,2,4,6 driver) hoaëc tích hôïp treân caû modul baùn daãn (hình thaønh daïng complex (bao goàm maïch laùi, IGBT vaø maïch baûo veä) ) Treân baûng B1.3 moâ taû thoâng soá moät soá linh kieän IGBT bao goàm ñieän aùp ñònh möùc, doøng ñieän ñònh möùc, ñoä suït aùp khi daãn ñieän (VTM) vaø thôøi gian ñaùp öùng khi kích daãn linh kieän (ton). Baûng B1.9 so saùnh caùc thoâng soá cuûa IGBT vôùi moät soá linh kieän coâng suaát lôùn nhö GTO,GCT vaø ETO Baûng 1.3 Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa IGBT Loïai Ñieän aùp ñònh Doøng trung bình VTM ton (ñaëc tröng) möùc lôùn nhaát ñònh möùc Linh kieän rôøi HGTG32N60E2 600V 32A 2.4V 0.62 µs HGTG30N120D2 1200V 30A 3.2V 0.58 µs Linh kieän daïng module CM400HA-12E 600V 400A 2.7V 0.3 µs CM300HA-24E 1200V 300A 2.7V 0.3 µs Module aùp thaáp 30V 60A 0.48V 45V 440A 0.69V 150V 30A 1.19V 1-15
Ñieän töû coâng suaát 1 1.6 – THYRISTOR (SCR- SILICON CONTROLLED RECTIFIER) Moâ taû vaø chöùc naêng Thyristor goàm 3 lôùp PN vaø maéc vaøo maïch ngoaøi goàm 3 coång: ñieän cöïc anode A, cathode C vaø coång ñieàu khieån G. Veà maët lyù thuyeát toàn taïi caáu truùc thyristor: PNPN vaø NPNP, trong thöïc teá ngöôøi ta chæ phaùt trieån vaø söû duïng loaïi PNPN. Sô ñoà thay theá thyristor baèng maïch transistor ñöôïc veõ ôû hình H1.16. Giaû söû anode cuûa thyristor chòu taùc duïng cuûa ñieän aùp döông so vôùi cathode (uAK > 0). Khi ñöa vaøo maïch G, K cuûa cathode (töông öùng vôùi maïch base- emitor cuûa tranristor NPN) xung doøng IG, transistor NPN seõ ñoùng. Doøng ñieän daãn tieáp tuïc qua maïch emitor -base cuûa transistor PNP vaø ñoùng noù. Caùc transistor seõ tieáp tuïc ñoùng ngay caû khi doøng iG bò ngaét. Doøng qua collector cuûa moät transistor cuõng chính laø doøng ñi qua base cuûa transistor thöù hai vaø ngöôïc laïi. Caùc transistor vì vaäy cuøng nhau duy trì ôû traïng thaùi ñoùng. Caùc tính chaát vaø traïng thaùi cô baûn: Neáu transistor bò ngaét, thì anode coù theå chòu ñöôïc ñieän aùp döông so vôùi cathode.- traïng thaùi khoùa ; hoaëc ñieän aùp aâm so vôùi cathode - traïng thaùi nghòch. Hieän töôïng ñoùng SCR töùc chuyeån töø traïng thaùi khoùa sang traïng thaùi daãn ñieän coù theå thöïc hieän neáu thoûa maõn caû hai ñieàu kieän sau: 1/- Thyristor ôû traïng thaùi khoùa. 2/-coù xung doøng ñieän kích iG > 0 ñuû lôùn. Hieän töôïng ngaét SCR : quaù trình chuyeån töø traïng thaùi daãn ñieän sang khoâng daãn ñieän (töùc traïng thaùi nghòch hoaëc traïng thaùi khoùa). Quaù trình naøy goàm hai giai ñoaïn: 1/- Giai ñoaïn laøm doøng thuaän bò trieät tieâu: thöïc hieän baèng caùch thay ñoåi ñieän trôû hoaëc ñieän aùp giöõa anode vaø cathode. 2/- Giai ñoaïn khoâi phuïc khaû naêng khoùa cuûa thyristor. Sau khi doøng thuaän bò trieät tieâu, caàn coù moät thôøi gian - thôøi gian ngaét, ñeå chuyeån thyristor vaøo traïng thaùi khoùa. Ñaëc tính V-A 1-16
Ñieän töû coâng suaát 1 Ñaëc tính V-A ngoõ ra: quan heä giöõa ñieän aùp vaø doøng ñieän ñi qua hai cöïc anode, cathode (xem hình H1.17). Ñaëc tính ngoõ vaøo quan heä giöõa ñieän aùp vaø doøng coång G (coång ñieàu khieån). Ñaëc tính V-A ngoõ ra goàm 3 nhaùnh : - nhaùnh thuaän (1): thyristor ôû traïng thaùi daãn ñieän. Ñoä suït aùp giöõa anode – cathode nhoû khoâng ñaùng keå. - Nhaùnh nghòch (3): öùng vôùi traïng thaùi nghòch töông töï nhö diode. - Nhaùnh khoùa (2): öùng vôùi traïng thaùi khoùa. Neáu doøng iG = 0 thì daïng nhaùnh khoùa töông töï nhö nhaùnh nghòch. Thay vì ñieän trôû rR thì ôû ñaây laø ñieän trôû rD (differential block resistance). Töông töï ta coù ñieän aùp ñoùng uBO thay vì uBR. Khi ñieän aùp ñaït ñeán giaù trò uBO, thyristor khoâng bò phaù hoûng maø seõ bò ñoùng (chuyeån töø traïng thaùi khoùa sang traïng thaùi daãn ñieän). Khi iG thay ñoåi, tuøy thuoäc vaøo ñoä lôùn cuûa iG maø giaù trò cuûa ñieän theá khoùa thay ñoåi theo (ñieän theá khoùa giaûm khi iG taêng). Hieän töôïng thyristor daãn ñieän do taùc duïng ñieän aùp vöôït quaù uBO (iG=0) laø söï coá gaây ra do quaù ñieän aùp xuaát hieän treân löôùi. Thoâng thöôøng, ta ñoùng thyristor baèng xung doøng qua maïch G,K. Ñieän trôû thuaän rT vaø ñieän aùp thuaän uTO ñöôïc ñònh nghóa töông töï nhö tröôøng hôïp cuûa diode. Khaùc vôùi diode, caùc nhaùnh thuaän cuûa thyristor khoâng baét ñaàu töø goùc zero cuûa heä truïc maø töø giaù trò IH – (holding current) doøng duy trì ôû traïng thaùi daãn. Neáu giaù trò doøng giaûm nhoû hôn iH thì thyristor trôû veà traïng thaùi khoùa. Ngay sau khi ñoùng thyristor, tröôùc khi doøng coång iG taét, ñoøi hoûi doøng thuaän phaûi ñaït ñeán hoaëc vöôït hôn giaù trò doøng choát iL, iL > iH (L: Latching). Ñeå ñoùng thyristor, khoaûng ñaàu xung doøng kích phaûi coù trò ñuû lôùn. Daïng xung doøng thöôøng söû duïng cho coång coù daïng nhö hình H1.18. Do tính chaát cuûa lôùp nghòch khoâng toát neân khoâng ñöôïc pheùp ñeå xuaát hieän treân noù ñieän theá aâm duø chæ raát nhoû. Khi thyristor ôû traïng thaùi nghòch vieäc kích vaøo coång G seõ laøm taêng doøng nghòch moät caùch 1-17
Ñieän töû coâng suaát 1 voâ ích. Caùc xung ñieàu khieån thöôøng ñöôïc truyeàn ñeán thyristor nhôø caùc bieán aùp xung. Nhieäm vuï cuûa noù laø taùch maïch coâng suaát khoûi nguoàn taïo xung kích. Khi söû duïng caùc bieán aùp xung, caàn phaûi giaûi quyeát vaán ñeà laøm taét nhanh doøng töø hoùa khi xung bò ngaét (neáu khoâng thì doøng töø khoâng ngöøng taêng leân sau moãi laàn ñöa xung vaøo) vaø vaán ñeà baûo veä lôùp coång cuûa thyristor tröôùc ñieän aùp nghòch. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà treân ta coù theå söû duïng daïng maïch ôû hình H1.22. Caùc tính chaát ñoäng Taùc duïng ñieän aùp khoùa uV (hoaëc uD): veà baûn chaát ñoù laø taùc duïng ñieän aùp nghòch leân lôùp baùn daãn (xem hình H1.19). Luùc ñoù, noù hoïat ñoäng nhö moät tuï ñieän, ñieän dung cuûa noù phuï thuoäc vaøo ñoä lôùn ñieän aùp ñaët vaøo: d()C.u dC du i = V = u . + C. V C dt V dt dt duV Theo phöông trình treân, doøng iC ñaït giaù trò lôùn khi ñuû lôùn (giaû söû raèng C dt khoâng ñoåi). Bôûi vì moät phaàn ñöôøng daãn cuûa iC truøng vôùi ñöôøng daãn cuûa doøng kích coång neân coù taùc duïng nhö ñoùng kích vaø laøm ñoùng thyristor ngoaøi yù muoán. Vì theá ngöôøi ta giôùi haïn ñoä doác cuûa uV ñeán giaù trò: ⎛ duV ⎞ Sucrit = ⎜ ⎟ ⎝ dt ⎠max Vieäc ñoùng thyristor khoâng xaûy ra ngay khi xung doøng iG vaøo coång. Thoaït tieân doøng daãn iV ñi qua moät phaàn nhoû cuûa tieát dieän cuûa thyristor ôû choã noái vôùi coång G. Sau ñoù, ñieän tích daãn taêng daàn leân cuûa tieát dieän phieán baùn daãn, ñieän aùp khoùa giaûm daàn. Ñoái vôùi caùc thyristor, thoâng thöôøng thôøi gian ñoùng ñieän tgt ôû trong khoaûng 3 →10µs. Khi doøng iV taêng nhanh quaù, chæ coù moät phaàn nhoû tieát dieän chung quanh maïch coång G daãn ñieän vaø daãn ñeán quaù taûi, coù theå laøm taêng nhieät ñoä leân ñeán giaù trò laøm hoûng linh kieän. ⎛ diV ⎞ Vì theá ñoä taêng cuûa doøng iV bò giôùi haïn ñeán giaù trò Scrit = ⎜ ⎟ . ⎝ dt ⎠max Ngaét thyristor (xem hình H1.21): giai ñoaïn ñaàu dieãn ra töông töï nhö khi ngaét diode . Thôøi gian phuïc hoài tính nghòch trr, ñieän tích chuyeån maïch Qr (lôùn hôn ñoái vôùi thyristor). Sau khi phuïc hoài ñieän trôû nghòch cuûa caùc lôùp J1 vaø J3 (xem hình H119), quaù trình ngaét vaãn chöa chaám döùt, caàn coù theâm moät thôøi gian nöõa ñeå khoâi phuïc khaû naêng khoùa - töùc laø khoâi phuïc ñieän trôû nghòch cuûa lôùp J2. Vì vaäy, ta ñònh nghóa theâm tq laø thôøi gian ngaét toái thieåu caàn thieát maø SCR caàn duy trì aùp ngöôïc ñeå khoâi phuïc khaû naêng khoùa, noù baét ñaàu khi doøng ñieän thuaän trôû veà zero cho ñeán khi ñieän aùp khoùa taùc duïng trôû laïi maø khoâng laøm SCR ñoùng laïi (Ig = 0). Neáu ta taùc duïng ñieän aùp khoùa leân sôùm 1-18
Ñieän töû coâng suaát 1 hôn khoaûng thôøi gian tq naøy, SCR coù theå ñoùng ngoaøi yù muoán daãu chöa coù xung kích ñöa vaøo coång kích. Thôøi gian ngaét phuï thuoäc vaøo caùc ñieàu kieän luùc ngaét nhö nhieät ñoä chaát baùn daãn, doøng bò ngaét, toác ñoä giaûm doøng vaø ñieän aùp nghòch. Caùc thyristor thöôøng coù tq trong khoaûng töø vaøi µs ñeán haøng traêm µs. Caùc heä quaû: coâng suaát toån hao do ñoùng ngaét quaù ñieän aùp do quaù trình chuyeån maïch, caùc giôùi haïn Sucrit, Sicrit. Quaù ñieän aùp do quaù trình chuyeån maïch coù theå ñöôïc giôùi di haïn baèng maïch RC. Cuoän caûm khaùng baûo veä V keát hôïp vôùi maïch RC (song song dt du vôùi SCR) ñeå giôùi haïn ñoä doác V . dt Khaû naêng mang taûi Khaû naêng chòu aùp vaø doøng vaø khaû naêng quaù taûi ñöôïc xem xeùt töông töï nhö diode. Ñieän theá nghòch cöïc ñaïi coù theå laëp laïi uRRM vaø ñieän theá khoùa uDRM thöôøng baèng nhau vaø cho bieát caùc giaù trò ñieän aùp lôùn nhaát töùc thôøi cho pheùp xuaát hieän treân thyristor bôûi vì ñieän theá cöïc ñaïi khoâng laëp laïi cuûa thyristor thöôøng khoâng ñöôïc bieát. Khaû naêng chòu aùp cuûa thyristor ñaït ñeán haøng chuïc kV, thoâng thöôøng ôû möùc 5-7 kV, doøng ñieän trung bình ñaït ñeán khoaûng 5.000A. Ñoä suït aùp khi daãn ñieän naèm trong khoaûng 1,5-3V. Phaàn lôùn caùc thyristor ñöôïc laøm maùt baèng khoâng khí. Caùc thyristor ñaëc bieät Thyristor cao aùp: coù ñieän aùp laëp laïi lôùn nhaát khoaûng vaøi ngaøn volt. Caùc thoâng soá ñaëc tröng tính chaát ñoäng cuûa noù khoâng coù lôïi (Qr, tq,Sucrit, Sicrit). Thyristor nhanh: caùc thoâng soá caûi tieán tính chaát ñoäng ñöôïc toát hôn nhö tq nhoû, Sucrit, vaø Sicrit lôùn. Khaû naêng chòu aùp vaø doøng cuûa noù thaáp hôn. Thyristor GATT: baûn chaát gioáng nhö thyristor ñaùp öùng nhanh. Baèng caùch taùc duïng ñieän aùp ngöôïc leân maïch coång, thôøi gian tq coù theå giaûm xuoáng coøn phaân nöûa so vôùi thyristor nhanh. Fotothyristor: Coù theå cho ñoùng bình thöôøng baèng xung kích vaøo coång G, hoaëc baèng tia saùng leân vò trí nhaát ñònh cuûa voû chöùa thyristor. 1-19
Ñieän töû coâng suaát 1 Fotothyristor caùch ly nguoàn xung kích vaø maïch coâng suaát, caùc daïng cuûa noù ñöôïc veõ treân hình H1.20. Trong ñoù phöông aùn ôû hình a/- söû duïng daïng vi maïch giuùp taän duïng nguoàn tia saùng kích thích, phöông aùn b/- vaø c/- baûo ñaûm caùch ly toát giöõa nguoàn xung kích vaø maïch coâng suaát, do ñoù haïn cheá nhieàu taùc duïng cuûa soùng nhieãu, daïng c/- chæ caàn coâng suaát kích cuûa nguoàn saùng khoâng ñaùng keå. Baûng B1.4 Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa thyristor SKKT 41/12E (SEMIKRON) VRRM 1200V Ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi laäp laïi cho pheùp -Repetitive peak Reverse voltage VDRM 1200V Ñieän aùp khoaù laäp laïi cöïc ñaïi cho pheùp -Repetitive peak off-state voltage VRSM 1300V Ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi khoâng laäp laïi cho pheùp -Non- repeative peak reverse voltage (dV/dt)crit 1000V/ µ s Ñoä taêng ñieän aùp khoùa cho pheùp ITRMS 75A doøng ñieän hieäu duïng -RMS-on-state current ITAV 48A doøng ñieän trung bình -Mean on state current (di/dt)crit 150A/ µ s Ñoä taêng doøng ñieän cho pheùp khi linh kieän ñoùng VT Max. 1,95V ñieän aùp thuaän -Direct on- state voltage VGT 3V ñieän aùp coång kích -Gate trigger voltage IGT 150mA Doøng ñieän coång kích -Gate trigger current IH 150mA doøng ñieän duy trì -Holding current- IL 300A doøng ñieän choát -Latching current Maïch kích thyristor Trong caùc boä bieán ñoåi coâng suaát duøng thyristor, thyristor vaø maïch taïo xung kích vaøo coång ñieàu khieån cuûa noù caàn caùch ñieän. Töông töï nhö caùc maïch kích cho transistor, ta coù theå söû duïng bieán aùp xung hoaëc optron, xem hình H1.22 Maïch kích duøng bieán aùp xung ñöôïc veõ treân hình H1.22a. Sau khi taùc duïng aùp leân maïch coång B cuûa transistor Q1. Transistor Q1 daãn baõo hoøa laøm ñieän aùp Vcc xuaát hieän treân cuoän sô caáp cuûa bieán aùp xung vaø töø ñoù xung ñieän aùp caûm öùng xuaát hieän phía thöù caáp bieán aùp. Xung taùc duïng leân coång G cuûa thyristor. Khi khoùa xung kích cho 1-20
Ñieän töû coâng suaát 1 transistor Q1 bò ngaét doøng qua cuoän sô caáp bieán aùp xung duy trì qua maïch cuoän sô caáp vaø diode Dm. Vieäc ñöa xung kích daøi vaøo coång G laøm taêng theâm toån hao maïch coång, do ñoù coù theå thay theá noù baèng chuoãi xung. Muoán vaäy, xung ñieàu khieån keát hôïp vôùi tín hieäu ra cuûa boä phaùt xung vuoâng qua maïch coång logic AND tröôùc khi ñöa vaøo coång B cuûa transistor Q1 (xem H1.22b). Maïch kích chöùa phaàn töû photocoupler coù theå laø phototransistor hoaëc photothyristor. Xung kích ngaén phaùt ra töø diode quang ILED (Infrared light emiting diode) kích daãn foto thyristor vaø töø ñoù kích daãn thyristor coâng suaát H1.24. Maïch kích ñoøi hoûi coù nguoàn dc cung caáp rieâng vì theá taêng theâm giaù thaønh vaø kích côõ cuûa maïch ñieàu khieån. Trong nhieàu tröôøng hôïp öùng duïng, maïch kích ñôn giaûn söû duïng caáu truùc chöùa diac nhö treân hình veõ H1.23õ, ñoä lôùn goùc kích phuï thuoäc thôøi gian naïp ñieän tích cho tuï (xaùc ñònh bôûi haèng soá thôøi gian RC) vaø ñieän aùp taùc duïng cuûa diac. Maïch söû duïng tröïc tieáp nguoàn ñieän coâng suaát ñeå laøm nguoàn kích. Phaïm vi ñieàu khieån goùc kích bò haïn cheá. Maïch baûo veä thyristor: thoâng thöôøng, maïch RC maéc song song vôùi thyristor ( hình H1.22) coù theå söû duïng ñeå baûo veä noù choáng quaù ñieän aùp. Maïch coù theå keát hôïp vôùi cuoän khaùng baûo veä maéc noái tieáp vôùi thyristor choáng söï taêng nhanh doøng ñieän qua linh kieän (diV/dt). Caùc giaù trò RC coù theå xaùc ñònh töø ñieàu kieän giôùi haïn ñieän aùp treân linh kieän hoaëc ñeå cho ñôn giaûn, coù theå söû duïng baûng tra cöùu cung caáp bôûi nhaø saûn xuaát- xem baûng B1.5 Baûng B1.5. Maïch baûo veä SCR choáng quaù ñieän aùp (SEMIKRON) Ñieän aùp ≤ 50A ≤ 100A ≤ 200A ≤ 400A ≤ 800A ≤ 1200A nguoàn AC ≤ 230V C[ µ F] 0.22 0.33 0.68 1 10 4.7 R[ Ω ] 47 33 15 15 50 10 P[W] 5 10 15 25 100 ≤ 400V C[ µ F] 0.1 0.22 0.47 1 1.5 2.2 R[ Ω ] 82 47 22 22 15 12 1-21
Ñieän töû coâng suaát 1 P[W] 7 15 30 60 100 150 ≤ 500V C[ µ F] 0.1 0.22 0.33 0.68 1.5 2.2 R[ Ω ] 120 68 33 22 22 18 P[W] 10 25 40 70 150 250 ≤ 690V C[ µ F] 0.33 0.47 1.0 1.0 R[ Ω ] 47 33 33 22 P[W] 70 100 100 300 1.7 TRIAC Triac laø linh kieän coù theå daãn doøng ñieän theo caû hai chieàu. Vì vaäy ñònh nghóa doøng thuaän vaø doøng ngöôïc khoâng coù yù nghóa, töông töï cho khaùi nieäm ñieän aùp ngöôïc. Vieäc kích daãn triac thöïc hieän nhôø xung doøng ñieän ñöa vaøo coång ñieàu khieån G. Ñieàu kieän ñeå triac ñoùng ñieän laø ñöa xung doøng kích vaøo coång ñieàu khieån trong ñieàu kieän toàn taïi ñieän aùp treân linh kieän khaùc zero. Gioáng nhö thyristor, khoâng theå ñieàu khieån ngaét doøng qua triac. Triac seõ ngaét theo qui luaät ñaõ ñöôïc giaûi thích ñoái vôùi thyristor. Moâ taû vaø chöùc naêng Vieäc ñoùng triac theo caû hai chieàu ñöôïc thöïc hieän nhôø 1 coång duy nhaát G vaø xung doøng kích vaøo coång G coù chieàu baát kyø. Bôûi vì triac daãn ñieän caû hai chieàu neán chæ coù hai traïng thaùi, traïng thaùi daãn vaø khoùa. Maëc duø vaäy coù theå ñònh nghóa triac coù chieàu thuaän vaø chieàu nghòch. Ñaëc tính V-A Ñaëc tính V-A cuûa triac töông töï nhö thyristor. Do khaû naêng daãn ñieän theo caû hai chieàu, ñaëc tính triac coù daïng ñoái xöùng qua taâm toïa ñoä. Caàn noùi theâm veà tröôøng hôïp ñaëc tính coång ñieàu khieån. Vieäc kích ñoùng triac coù theå chia ra laøm caùc tröôøng hôïp: uV > 0 a/- uG > 0 , iG > 0 b/- uG 0 c/- uG > 0 , iG > 0 d/- uG < 0 , iG < 0 Maëc duø coù theå taïo doøng kích coù daáu tuøy yù, nhöng thöïc teá vieäc kích thuaän lôïi hôn khi doøng kích döông cho tröôøng hôïp doøng qua triac döông vaø doøng kích aâm khi doøng qua triac aâm. Caùc tính chaát ñoäng Vieäc ñoùng (xem thyrisror): thôøi gian ñoùng tgt , nhanh nhaát ôû tröôøng hôïp a, chaäm nhaát ôû tröôøng hôïp c. Toác ñoä taêng cuûa doøng daãn bò giôùi haïn bôûi: 1-22
Ñieän töû coâng suaát 1 ⎛ diV ⎞ ⎛ diVR ⎞ Si crit = ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ ⎝ dt ⎠max ⎝ dt ⎠max Vieäc ngaét (xem thyristor): thôøi gian ngaét ñöôïc tính töø luùc giaûm doøng daãn theo moät höôùng veà 0 ñeán khi coù theå ñaët ñieän aùp khoùa cuøng chieàu ñoù leân triac. Neáu ta ngaét doøng daãn cuûa triac trong moät chieàu naøo ñoù, ñieän theá khoùa ôû chieàu ngöôïc laïi taêng leân ôû cuoái quaù trình chuyeån maïch vôùi toác ñoä lôùn coù theå gaây ra vieäc ñoùng ngoaøi yù muoán. Vì theá, toác ñoä taêng cuûa ñieän theá khoùa khi chuyeån maïch bò giôùi haïn bôûi giaù trò: ⎛ duV ⎞ ⎛ duVR ⎞ Su crit = ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ ⎝ dt ⎠max ⎝ dt ⎠max Caùc giaù trò Sucrit thöôøng nhoû hôn 20V/µs. Toác ñoä giôùi haïn cuûa ñieän theá khoùa Sucrit ñoái vôùi triac ñieän ôû traïng thaùi khoâng daãn ñieän coù giaù trò cao hôn - khoaûng vaøi traêm V/µs. Khaû naêng chòu taûi Ñònh möùc ñieän aùp: Xaùc ñònh theo ñieän aùp khoùa cöïc ñaïi coù theå laëp laïi, noù baèng nhau cho caû hai höôùng uDRM = uRRM. Ñieän aùp cöïc ñaïi khoâng laëp laïi khoâng ñöôïc bieát . Ñònh möùc doøng ñieän: Xaùc ñònh theo giaù trò hieäu duïng lôùn nhaát cuûa doøng daãn iVM. Thöôøng ñöôïc ñònh nghóa cho doøng hình sin ñoái vôùi nhieät ñoä cho tröôùc vaø vaän toác laøm maùt cho tröôùc. Baûng B1.6 Caùc thoâng soá cô baûn cuûa triac BCR5AS (Mitsubishi ) VDRM 600A Ñieän aùp khoùa laäp laïi cöïc ñaïi- repetitive peak off-state voltage ITRMS 5A Trò hieäu duïng doøng ñieän daãn- RMS on-state current IFGT,IRGT 30mA Doøng ñieän kích VDSM 720V Ñieän aùp khoùa khoâng laäp laïi cöïc ñaïi- non-repetitive peak off-state voltage ITSM 50A Doøng ñieän ñænh khoâng laäp laïi cöïc ñaïi qua linh kieän-daïng sin- surge on- state current VGM 10V Ñieän aùp kích cöïc ñaïi – peak gate voltage IGM 2A Doøng ñieän kích cöïc ñaïi- peak gate current VTM Max. 1,8V Ñieän aùp treân triac khi daãn ñieän- on state voltage VFGT,VRGT Max. 1,5V Ñieän aùp kích coång IFGT,IRGT Max. 30mA Doøng ñieän kích coång (dV/dt)crit 5V/ µs Ñoä taêng ñieän aùp “khoùa” – critical-rate of rise off-state commutating voltage (diT/dt)crit 100A/ µs Ñoä taêng doøng ñieän qua linh kieän cöïc ñaïi-Critical rate of rise of on-state current 1-23
Ñieän töû coâng suaát 1 1.8 GTO (GATE TURN OFF THYRISTOR ) GTO coù caáu taïo goàm boán lôùp pnpn töông töï vôùi thyristor thoâng thöôøng (SCR)- hình H1.26a, vôùi caùc tính naêng töông töï cuûa thyristor vôùi ñieåm khaùc bieät laø coù theå ñieàu khieån ngaét doøng ñieän qua noù. Maïch töông ñöông GTO ñöôïc veõ treân hình H1.26b coù 1-24
Ñieän töû coâng suaát 1 caáu truùc töông töï maïch moâ taû SCR nhöng coù theâm coång kích ngaét maéc song song coång kích ñoùng. Kyù hieäu linh kieän GTO veõ treân hình H1.26c. Caáu truùc thöïc teá (loaïi GTO ñoái xöùng) veõ treân hình H1.26d. GTO ñöôïc kích ñoùng baèng xung doøng ñieän töông töï nhö khi kích ñoùng thyristor thoâng thöôøng. Doøng ñieän kích ñoùng ñöôïc taêng ñeán giaù trò IGM vaø sau ñoù giaûm xuoáng ñeán giaù trò IG . Ñieåm khaùc bieät so vôùi yeâu caàu xung kích ñoùng SCR laø doøng kích iG phaûi tieáp tuïc duy trì trong suoát thôøi gian GTO daãn ñieän. Ñeå kích ngaét GTO, xung doøng ñieän aâm lôùn ñöôïc ñöa vaøo coång G – cathode vôùi ñoä doác (diGQ/dt) lôùn hôn giaù trò qui ñònh cuûa linh kieän, noù ñaåy caùc haït mang ñieän khoûi cathode, töùc ra khoûi emitter cuûa transistor pnp vaø transistor npn seõ khoâng theå hoaït ñoäng ôû cheá ñoä taùi sinh. Sau khi transistor npn taét, transistor pnp coøn laïi seõ hoaït ñoäng vôùi coång kích ñoùng ôû traïng thaùi môû vaø linh kieän trôû veà traïng thaùi khoâng daãn ñieän. Tuy nhieân, doøng ñieän yeâu caàu maïch coång G ñeå taét GTO coù giaù trò khaù lôùn. Trong khi xung doøng ñieän caàn ñöa vaøo coång ñeå kích ñoùng GTO chæ caàn ñaït giaù trò khoaûng 3-5%, töùc khoaûng 30A vôùi ñoä roäng xung 10 µ s ñoái vôùi loaïi linh kieän coù doøng ñònh möùc 1000A thì xung doøng ñieän kích coång ñeå ngaét GTO caàn ñaït ñeán khoaûng 30-50%, töùc khoaûng 300A vôùi ñoä roäng xung khoaûng 20-50 µ s. Maïch coång phaûi thieát keá coù khaû naêng taïo xung doøng kích toái thieåu ñaït caùc giaù trò yeâu caàu treân (IGQM). Ñieän aùp cung caáp maïch coång ñeå taïo xung doøng lôùn vöøa neâu thöôøng coù giaù trò thaáp, khoaûng 10-20V vôùi ñoä roäng xung khoaûng 20-50 µ s, naêng löôïng tieâu toán cho vieäc thöïc hieän kích ngaét GTO khoâng cao. Quùa trình ñieän aùp vaø doøng ñieän maïch anode vaø maïch coång khi kích 1-25
Ñieän töû coâng suaát 1 ñoùng GTO vaø kích ngaét noù ñöôïc moâ taû treân hình H1.27c,d. Naêng löôïng kích ngaét GTO nhieàu gaáp 10-20 laàn naêng löôïng caàn cho quùa trình kích ñoùng GTO. Ñieåm baát lôïi veà maïch kích ngaét laø moät nhöôïc ñieåm cuûa GTO khi so saùnh noù vôùi IGBT. Heä quaû laø thôøi gian ngaét doøng ñieän keùo daøi, khaû naêng chòu di/dt, dv/dt keùm, maïch baûo veä khi kích ñoùng vaø kích ngaét laøm taêng chi phí laép ñaët cuõng nhö laøm coâng suaát hoån hao taêng leân. Do khaû naêng kích ngaét chaäm neân GTO ñöôïc söû duïng trong caùc boä nghòch löu ñieàu cheá ñoä roäng xung (PWM) vôùi taàn soá ñoùng ngaét thaáp. Tuy nhieân, ñieàu naøy chaáp nhaän ñöôïc trong caùc öùng duïng coâng suaát lôùn. Maïch ñieàu khieån kích ngaét GTO coù giaù thaønh töông ñöông giaù thaønh linh kieän. Ñoä suït aùp cuûa GTO khi daãn ñieän cao hôn khoaûng 50% so vôùi thyristor nhöng thaáp hôn 50% so vôùi IGBT vôùi cuøng ñònh möùc. GTO coù khaû naêng chòu taûi coâng suaát lôùn hôn IGBT vaø ñöôïc öùng duïng trong caùc thieát bò ñieàu khieån heä thoáng löôùi ñieän (FACTS Controller) ñeán coâng suaát vaøi traêm MW. GTO ñöôïc chia laøm hai loaïi - loaïi cho pheùp chòu aùp ngöôïc (symmetrical), vaø loaïi “noái taét anode” (anode short GTO thyristor) chæ coù khaû naêng khoaù aùp thuaän trò soá lôùn. Loaïi thöù nhaát coù caáu truùc gioáng nhö SCR, coù khaû naêng chòu ñöôïc aùp khoùa vaø aùp ngöôïc vôùi giaù trò lôùn gaàn nhö nhau. Loïai thöù hai- GTO coù anode noái taét, coù moät phaàn lôùp J1 bò noái taét nhôø lôùp n+ (H.26e). Do ñoù, khaû naêng khoùa aùp ngöôïc cuûa loïai GTO naøy keùm, baèng khaû naêng chòu aùp ngöôïc cuûa lôùp J3 (khoaûng döôùi 15V). Tuy nhieân, buø laïi, caáu taïo cuûa noù cho pheùp ñaït ñöôïc khaû naêng chòu aùp khoùa vaø doøng ñieän lôùn cuõng nhö khaû naêng giaûm suït aùp khi daãn ñieän vaø noù thích hôïp cho caùc öùng duïng ñoøi hoûi taàn soá ñoùng ngaét lôùn nhöng khoâng caàn khaû naêng chòu aùp ngöôïc cao (chaúng haïn caùc boä nghòch löu aùp). Ñeå taêng cöôøng hieäu quaû söû duïng, caùc GTO coøn ñöôïc cheá taïo vôùi diode ngöôïc tích hôïp trong linh kieän (reverse conducting GTO Thyristor hoaëc asymmetric GTO). Caáu taïo linh kieän goàm phaàn GTO coù anode ñoái xöùng vaø phaàn goïi laø diode phuïc hoài nhanh (fast recovery diode) - xem hình H1.26f, cho pheùp linh kieän daãn doøng ñieän ngöôïc maø khoâng caàn laép ñaët diode ngöôïc ôû ngoøai linh kieän, laøm giaûm kích thöôùc vaø khoái löôïng maïch ñieän söû duïng GTO Maïch baûo veä Linh kieän GTO caàn phaûi coù maïch baûo veä. Quaù trình ngaét GTO ñoøi hoûi söû duïng xung doøng kích ñuû roäng. Ñieàu naøy daãn ñeán thôøi gian ngaét daøi, khaû naêng di/dt vaø dv/dt cuûa GTO thaáp. Vì theá, caàn phaûi giôùi haïn caùc trò soá hoaït ñoäng khoâng vöôït quaù giaù trò an toaøn trong quaù trình ngaét GTO. H1.28 veõ maïch baûo veä GTO trong quaù trình ngaét. Tuï ñieän C duøng ñeå baûo veä GTO trong quaù trình kích ngaét phaûi coù giaù trò ñieän dung lôùn hôn giaù trò qui ñònh cuûa nhaø saûn xuaát, ñaït ñeán ñoä lôùn khoaûng vaøi µ F. Ngoaøi ra, GTO ñoøi hoûi maïch baûo veä choáng hieän töôïng taêng nhanh doøng ñieän khi ñoùng. Diode cuûa maïch baûo veä phaûi coù khaû naêng chòu gai doøng lôùn bôûi vì trong quaù trình seõ xuaát hieän doøng coù bieân ñoä lôùn qua diode vaø tuï ñieän. Ñieän trôû maïch baûo veä coù trò soá nhoû vaø ñaûm baûo tuï xaû ñieän hoaøn toaøn trong khoaûng thôøi gian ñoùng ngaén nhaát cuûa GTO khi vaän haønh. Khi GTO ñoùng, naêng löôïng tích tröõ treân tuï seõ phaûi tieâu taùn heát treân ñieän trôû naøy. Vì theá, giaù trò ñònh möùc coâng suaát cuûa ñieän trôû khaù cao. Moãi GTO coù moät giaù trò doøng ñöôïc ñieàu khieån cöïc ñaïi maø neáu vöôït quaù thì khoâng theå ngaét noù baèng xung doøng ngöôïc ôû coång Gate. Neáu trong quaù trình vaän haønh boä bieán ñoåi coâng suaát söû duïng GTO nhö linh kieän ñoùng ngaét, söï coá coù theå xaûy ra (ví 1-26
Ñieän töû coâng suaát 1 duï nhö ngaén maïch) gaây neân hieän töôïng quaù doøng, heä thoáng baûo veä phaûi ñöôïc thieát keá ñeå nhaän bieát söï coá vaø ngaét GTO ñeå baûo veä linh kieän. Neáu nhö giaù trò doøng qua GTO khi söï coá xaûy ra thaáp hôn trò soá doøng cöïc ñaïi thì coù theå ngaét GTO baèng xung doøng coång aâm ñieàu khieån vôùi bieân ñoä thích hôïp. Nhöng neáu giaù trò doøng söï coá vöôït quaù giaù trò baûo veä baèng xung doøng aâm, caàn söû duïng maïch “baûo veä kieåu ñoøn baåy“ (goàm khoùa coâng suaát maéc song song vôùi linh kieän GTO). Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa maïch baûo veä laø taïo ngaén maïch nguoàn caáp ñieän cho GTO baèng caùch kích ñoùng moät SCR maéc song song vôùi linh kieän GTO. Doøng ngaén maïch laøm chaûy caàu chì vaø caét linh kieän GTO khoûi nguoàn. Ñieàu ñoù ñöôïc minh hoïa treân H1.29. Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, GTO trôû thaønh linh kieän ñoùng ngaét ñöôc söû duïng roäng raõi cho caùc maïch coâng suaát lôùn: moät GTO loaïi “noái taét anode” coù giaù trò ñònh möùc aùp khoaûng 4500V vaø ñònh möùc doøng 6000A. Caùc giaù trò töông öùng cuûa loaïi GTO cho pheùp daãn doøng ngöôïc laø 4500V vaø 3000A (Mitsubishi 1998). Ñieän aùp ñaët treân GTO khi daãn ñieän thöôøng cao hôn SCR (2-3V). Toác ñoä ñoùng ngaét töø vaøi µs ñeán 25µs. Taàn soá ñoùng ngaét khoaûng 100Hz ñeán 10kHz. Linh kieän coâng suaát seõ trôû neân chaát löôïng cao neáu cho ñoä suït aùp thaáp khi daãn ñieän (nhö thyristor), yeâu caàu maïch ñieàu khieån ñôn giaûn vaø khaû naêng ngaét doøng nhanh (nhö IGBT). Hieän nay, moät soá linh kieän nhö vaäy ñaõ xuaát hieän treân thò tröôøng vaøù chuùng coù khaû naêng thay theá daàn GTO. Chuùng coù theå xem laø nhöõng daïng caûi tieán cuûa GTO, cheá taïo theo nguyeân lyù khoái tích hôïp (Power Electronics Building Block- PEBB) nhaèm giaûm bôùt caùc yeâu caàu veà maïch kích vaø laøm taêng khaû naêng ngaét nhanh. Caùc linh kieän naøy goàm MTO (MOS Turn-Off Thyristor), ETO (Emitter Turn-Off Thyristor) vaø IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor). Baûng B1.7: Caùc thoâng soá cô baûn cuûa GTO FG1000BV-90DA (Mitsubishi) Thoâng soá Ñoä lôùn Ghi chuù VDRM 4.500V Ñieän aùp khoùa ñænh laäp laïi tuaàn hoaøn cöïc ñaïi (Repetitive peak off state voltae) 0 IT(AV) 400A Doøng trung bình (f=60Hz daïng sin, goùc daãn 180 ) di/dt max 1000A/ µs Toác ñoä taêng doøng khi ñoùng cöïc ñaïi ITQRM 1000A Giaù trò doøng thuaän cöïc ñaïi maø linh kieän coù theå ñieàu khieån ngaét ñöôïc (maïch baûo veä Cs=0,7 µ F,Ls=0,3 µ H). Linh kieän coù theå bò hoûng neáu noù thöïc hieän kích ngaét doøng ñieän lôùn hôn ITQRM VRRM 17V Ñieän aùp ngöôïc ñænh cöïc ñaïi cho pheùp VTM Max. 4V Ñieän aùp thuaän cöïc ñaïi 1-27
Ñieän töû coâng suaát 1 IRRM Max. 100mA Doøng ngöôïc cöïc ñaïi (töông öùng ôùi VRRM) IDRM Max. 100mA Doøng thuaän cöïc ñaïi ôû traïng thaùi khoùa. tgt Max. 10 µ s Thôøi gian treã khi ñoùng tgq Max. 20 µ s Thôøi gian treã khi ngaét. IGQM 300A Doøng kích ngaét qua coång G VGT Max. 1,5V Ñieän aùp coång khi kích ñoùng IGT Max. Doøng ñieän coång khi kích ñoùng 2500mA 1.9 IGCT (INTEGRATED GATE COMMUTATED THYRISTOR) Caáu taïo vaø chöùc naêng: Söï caûi tieán coâng ngheä cheá taïo GTO thyristor ñaõ daãn ñeán phaùt minh coâng ngheä IGCT. GCT –Gate –Commutated Thyristor laø moät daïng phaùt trieån cuûa GTO vôùi khaû naêng keùo xung doøng ñieän lôùn baèng doøng ñònh möùc daãn qua cathode veà maïch coång trong 1 µs ñeå ñaûm baûo ngaét nhanh doøng ñieän. Caáu truùc cuûa GCT vaø maïch töông ñöông cuûa noù gioáng nhö cuûa GTO. IGCT laø linh kieän goàm GCT vaø coù theâm moät soá phaàn töû hoã trôï, bao goàm caû board maïch ñieàu khieån vaø coù theå goàm caû diode ngöôïc. Ñeå kích ñoùng GCT, xung doøng ñieän ñöôïc ñöa vaøo coång kích laøm ñoùng GCT töông töï nhö tröôøng hôïp GTO. Ñeå kích ngaét GCT, moái noái pn base-emitter ñöôïc phaân cöïc ngöôïc baèng caùch cung caáp ñieän aùp nguoàn ngöôïc chieàu. Ñieàu naøy laøm trieät tieâu doøng ñieän qua cathode vì toaøn boä doøng ñieän ñi qua cathode seõ ñöôïc ñaåy sang maïch coång vôùi toác ñoä raát nhanh vaø bieán GCT trôû thaønh moät transistor pnp. Ñeå coù theå taïo doøng ñieän qua maïch coång taêng nhanh vaø ñuû lôùn, GCT (IGCT) ñöôïc cheá taïo ñaëc bieät ñeå giaûm caûm khaùng maïch coång (maïch voøng coång ñieàu khieån – cathode) ñeán giaù trò nhoû nhaát. Vaán ñeà maáu choát cuûa GCT laø taïo khaû naêng taêng nhanh doøng ñieän qua coång. Ñieàu naøy ñaït ñöôïc baèng oáng daãn ñieän ñoàng truïc qua maïch coång- cathode vaø coâng ngheä maïch ñieàu khieån nhieàu lôùp (multilayer). Chuùng cho pheùp doøng coång taêng vôùi toác ñoä 4kA/ µs khi ñieän theá coång- cathode ôû möùc 20V. Trong thôøi gian 1 µs , transistor npn cuûa GTO bò ngaét hoaøn toaøn vaø cöïc coång cuûa transistor pnp coøn laïi bò môû laøm GCT bò ngaét. Do vieäc ngaét thöïc hieän baèng xung doøng raát ngaén neân coâng suaát toån hao maïch coång ñöôïc giaûm ñeán möùc toái thieåu. Coâng suaát tieâu thuï cuûa GCT giaûm ñi khoaûng 5 laàn so vôùi tröôøng hôïp GTO. Lôùp p phía anode ñöôïc laøm moûng vaø laøm giaøu haït mang ñieän chuùt ít ñeå cho pheùp khöû caùc haït mang ñieän phía anode nhanh hôn trong thôøi gian ngaét. IGCT coù theå tích hôïp diode ngöôïc baèng moái noái n+n-p ñöôïc veõ beân phaûi cuûa hình H1.30. Diode ngöôïc caàn thieát trong caáu taïo cuûa caùc boä nghòch löu aùp. Quaù trình ngaét doøng ñieän cuûa GCT bôûi taùc duïng xung doøng kích coång ñöôïc veõ minh hoïa treân hình H1.32. Ñeå coù theå so saùnh vôùi quaù trình ngaét doøng cuûa GTO, ñoà thò cuûa doøng coång ñöôïc veõ cho hai tröôøng hôïp. Khaû naêng chòu taûi 1-28
Ñieän töû coâng suaát 1 Öu ñieåm chính cuûa IGCT theå hieän ôû caùc maët sau:-khaû naêng chòu aùp khoùa cao ñeán 6kV ( döï kieán seõ taêng leân ñeán 10kV) vôùi ñoä tin caäy cao; toån hao thaáp khi daãn ñieän bôûi coù khaû naêng daãn nhö thyristor; khaû naêng giôùi haïn doøng ngaén maïch söû duïng maïch baûo veä chöùa cuoän khaùng haïn cheá di/dt (turn on snubber) vaø giaù thaønh thaáp do taän duïng coâng ngheä silicon vôùi möùc tích hôïp naêng löôïng cao. Caùc thieát bò söû duïng IGCT coù coâng suaát thay ñoåi trong khoaûng 0,3 ñeán 5MW cho caùc öùng duïng truyeàn ñoäng ñieän noùi chung, ñeán 5MW cho thieát bò oån ñònh ñieän aùp (Dynamic Voltage Restorer), nguoàn döï phoøng (Dynamic UPS) vaø maùy caét, ñeán 20MW ñoái vôùi caùc truyeàn ñoäng ñaëc bieät, 25MW ñoái vôùi maïch sieâu daãn töø SMES (Supermagnetic Energy Storage) vaø 100MW cho thieát bò truyeàn taûi ñieän (interties). 1-29
Ñieän töû coâng suaát 1 Baûng B1.8 Caùc thoâng soá cô baûn cuûa GCT ñoái xöùng FGC800A-130DS (Mitsubishi) Ñieän aùp khoùa VDRM 6500V vôùi VGK= -2V Ñieän aùp ngöôïc VRRM 6.500V Doøng ñieän thuaän cöïc ñaïi maø ITQRM 800A vôùi diGQ/dt=1200A/ µs , khoâng maïch baûo veä linh kieän coù theå kích ngaét Doøng thuaän trung bình IT(AV) 330A- daïng sin, f=60Hz, goùc daãn 1800 Thôøi gian löu tröõ (storage ts 3 µs vôùi diGQ/dt=1200V/ µs , time) Cs=0,1 µF ,Rs=10 Ω Toác ñoä taêng tôùi haïn cuûa dit/dt 1000A/ µs vôùi IGM=90A, doøng ñieän diG/dt=50A/ µs ,Cs=0,1 µF ,Rs=10 Ω Thôøi gian ñoùng (turn on Tgt Max. 5 µs vôùi iGM=90A vaø diG/dt=50A/ µs time) Ñoä suït aùp khi daãn VTM Max. 8V vôùi IT=800A Doøng ngöôïc cöïc ñaïi IRRM Max. 150mA Doøng ñieän ôû traïng thaùi khoùa IDRM Max. 100mA Toác ñoä taêng ñieän aùp khoùa dV/dt Min. 3000V/ µ s Doøng ñieän kích ñoùng IGT Max. 0,5A Ñieän aùp xung kích ñoùng VGT Max. 1,5V 1.10 MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR) Caáu taïo vaø chöùc naêng MCT coù caáu taïo keát hôïp coâng ngheä cuûa thyristor vôùi öu ñieåm toån hao daãn ñieän thaáp vaø khaû naêng chòu aùp cao vaøø cuûa MOSFET vôùi khaû naêng ñoùng ngaét nhanh. Hình veõ H1.33 moâ taû caáu truùc caét ngang cuûa moät MCT, trong ñoù MOSFET ñöôïc tích hôïp trong caáu truùc cuûa SCR ñeå thöïc hieän ñieàu khieån quaù trình ñoùng vaø ngaét linh kieän naøy. MCT ñöôïc ñieàu khieån qua coång MOS. Trong coâng nghieäp thöôøng xuaát hieän caùc MCT loaïi p. Kyù hieäu vaø ñaëc tính cuûa MCT ñöôïc moâ taû treân hình H1.32. Ñeå kích daãn MCT, xung ñieän aùp aâm ñöôïc ñöa vaøo giöõa coång gate- anode. Ñieàu naøy daãn ñeán vieäc ñoùng On- FET (p-FET) (trong khi ñoù coång “off-FET” (n- 1-30
Ñieän töû coâng suaát 1 FET) vaãn bò khoùa) vaø kích thích lôùp coång ñeäm -emitter cuûa transistor npn Q1. Transistor Q1 vaø Q2 sau ñoù chuyeån sang traïng thaùi daãn ñieän. Ñeå ngaét MCT, ñieän aùp coång gate – anode chuyeån sang giaù trò döông. Ñieàu naøy laøm Off-FET Q4 daãn ñieän vaø laøm noái taét maïch emitter – lôùp ñeäm cuûa transistor Q2. Transistor Q2 vì theá bò taét laøm MCT bò ngaét. MCT ñaït ñoä suït aùp thaáp khi daãn ñieän (nhö GTO) vaø thaáp hôn caû IGBT. Phöông phaùp ñieàu khieån duøng xung ñieän aùp (nhö MOSFET, IGBT). Maïch laùi ñôn giaûn hôn so vôùi GTO vì khoâng ñoøi hoûi xung doøng ñieän aâm kích coång. Toác ñoä ñoùng ngaét cuûa MCT nhanh hôn so vôùi GTO. Vì theá, MCT ñang daàn trôû thaønh linh kieän ñieàu khieån ngaét lyù töôûng cho caùc taûi coù yeâu caàu ñoä suït aùp thaáp, toån hao thaáp vaø ñoùng ngaét nhanh. Khaû naêng doøng ñieän cuûa MCT nhoû hôn so vôùi GTO. Khaû naêng chòu taûi MCT ñöôïc aùp duïng cho caùc tröôøng hôïp yeâu caàu ñieän trôû vaø ñoä töï caûm nhoû vôùi khaû naêng chòu ñöôïc gai doøng ñieän lôùn vaø di/dt cao. MCT coù khaû naêng chòu ñöôïc ñoä taêng doøng ñieän 1.400kA/ µs vaø giaù trò doøng ñænh 14kA, tính qui ñoåi treân dieän tích laø 40kA/cm2 ñoái vôùi xung doøng ñieän. Caùc MCT ñöôïc cheá taïo ôû daïng tích hôïp ví duï goàm 4 ñeán 6 linh kieän (ThinPak). MCT ñöôïc söû duïng laøm thieát bò phoùng naïp ñieän cho maùy bay, xe oâ toâ, taøu thuûy, nguoàn cung caáp, ti vi. MCT cuõng ñöôïc söû duïng laøm coâng taéc chuyeån maïch meàm (Soft switching) trong caùc maïch dao ñoäng coäng höôûng (Auxiliary Resonant Commutated Pole). Khaû naêng chòu di/dt cao vaø gai doøng lôùn coøn môû ra höôùng phaùt trieån duøng MCT cheá taïo caùc maùy caét vôùi öu ñieåm goïn nheï, giaù thaønh haï vaø ñaùp öùng nhanh so vôùi caùc maùy caét baùn daãn hieän taïi. MCT daïng tích hôïp (ThinPak) coøn ñöôïc söû duïng trong caùc heä truyeàn ñoäng maùy keùo trong giao thoâng vaän taûi. 1.11 MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR) 1-31
Ñieän töû coâng suaát 1 Linh kieän MTO thyristor ñöôïc phaùt trieån bôûi haõng SPCO (Silicon Power Coperation) treân cô sôû coâng ngheä GTO vaø MOSFET. Chuùng khaéc phuïc caùc nhöôïc ñieåm cuûa GTO lieân quan ñeán coâng suaát maïch kích, maïch baûo veä vaø caùc haïn cheá cuûa tham soá dv/dt. Khoâng gioáng nhö IGBT tích hôïp caáu truùc MOS phuû leân toaøn boä tieát dieän baùn daãn, MTO ñaët MOS FET treân phieán silicon. Caùc linh kieän coù caáu truùc töông töï thyristor nhö MTO (xem hình H1.34) vaø GTO thöôøng ñöôïc söû duïng trong caùc tröôøng hôïp coù yeâu caàu coâng suaát lôùn nhôø ôû khaû naêng hoaït ñoäng gaàn nhö moät coâng taéc 2 traïng thaùi lyù töôûng coù toån hao thaáp ôû caû hai traïng thaùi “on” vaø “off”. Caáu truùc MTO goàm 4 lôùp vaø hai coång ñieàu khieån- moät coång ñieàu khieån kích ñoùng vaø moät coång ñieàu khieån kích ngaét. Taïi hai coång naøy, lôùp kim loaïi ñöôïc gheùp treân lôùp p. MTO ñöôïc kích ñoùng baèng xung doøng ñieän trong khoaûng thôøi gian 5-10 µ s vaøo coång “turn on”-G1, töông töï nhö khi kích GTO. Xung doøng naøy seõ cung caáp doøng ñieän vaøo lôùp ñeäm cuûa transistor NPN Q1 maø doøng qua collector cuûa noù seõ cung caáp doøng ñeäm cho transistor NPN Q2 vaø quaù trình taùi sinh dieãn ra sau ñoù taïo thaønh traïng thaùi daãn ñieän cuûa MTO. Ñeå ngaét doøng qua MTO, moät xung ñieän aùp khoûang 15V caàn ñöa vaøo coång “off” G2- töông töï nhö khi ngaét MCT. Xung ñieän aùp treân seõ laøm caáu truùc maïch FET daãn ñieän, laøm noái taét maïch emitter vaø coång kích cuûa transistor npn Q1. Do ñoù, laøm giaûm khaû naêng daãn lôùp emitter vaø lôùp ñeäm cuûa transistor Q1 vaø quaù trình taùi sinh seõ döøng laïi. So vôùi tröôøng hôïp GTO phaûi söû duïng xung doøng aâm raát lôùn ñeå daäp taét quaù trình taùi sinh cuûa transistor Q1, quaù trình ngaét doøng cuûa MTO dieãn ra nhanh hôn nhieàu (1-2 µ s so vôùi 10-20 µ s). MTO taét vôùi thôøi gian löu tröõ (storage time) ngaén hôn nhieàu so vôùi GTO, do ñoù toån hao töông öùng haàu nhö ñöôïc loaïi boû vaø ñaït ñaùp öùng nhanh hôn so vôùi GTO . Nhöõng öu ñieåm treân laøm giaûm giaù thaønh cheá taïo vaø taêng ñoä tin caäy hoaït ñoäng. Khaû naêng chòu taûi: 1-32
Ñieän töû coâng suaát 1 MTO thích hôïp söû duïng cho caùc truyeàn ñoäng coâng suaát lôùn, ñieän aùp cao (>3kV cho ñeán 10kV), doøng ñieän lôùn hôn 4000A, ñoä suït aùp thaáp (thaáp hôn so vôùi IGBT) vaø cho coâng suaát taûi trong phaïm vi 1MVA ñeán 20MVA do khaû naêng ñieàu khieån ñôn giaûn vaø chòu ñöôïc aùp khoùa lôùn. MTO coù theå söû duïng cho caùc thieát bò ñieàu khieån coâng suaát trong heä thoáng ñieän (FACTS Controller) laøm vieäc treân nguyeân lyù ñieàu cheá ñoä roäng xung PWM. Caùc nguoàn ñieän döï phoøng coâng suaát lôùn (UPS) cuõng laø moät höôùng aùp duïng cuûa MTO. Khaû naêng ñieàu khieån caét nhanh vaø deã daøng cuûa MTO laøm cho noù coù theå öùng duïng thuaän lôïi laøm caùc thieát bò caét doøng ñieän dc vaø doøng ñieän ac. 1.12 ETO (EMITTER TURN-OFF THYRISTOR) Gioáng nhö MTO, ETO ñöôïc phaùt trieån treân cô sôû keát hôïp caùc coâng ngheä cuûa GTO vaø MOSFET. ETO ñöôïc phaùt minh bôûi Trung taâm ñieän töû coâng suaát Virginia (Virginia Power Electronics Center) hôïp taùc vôùi haõng SPCO. Kyù hieäu ETO vaø maïch töông ñöông cuûa noù ñöôïc veõ treân hình H1.35 Linh kieän MOSFET T1 maéc noái tieáp vôùi GTO vaø linh kieän MOSFET T2 maéc noái taét giöõa coång kích cuûa GTO vaø linh kieän MOSFET T1. Thöïc teá, T1 bao goàm moät soá n-MOSFET vaø T2 goàm moät soá p-MOSFET, chuùng ñöôïc thieát keá bao quanh GTO ñeå giaûm toái ña caûm khaùng giöõa caùc linh kieän MOSFET vaø coång cathode cuûa GTO. ETO coù hai coång ñieàu khieån: moät coång cuûa rieâng GTO ñöôïc söû duïng ñeå ñoùng noù vaø coång thöù hai laø coång kích vaøo coång MOSFET noái tieáp ñeå ngaét ETO. Khi aùp ñaët moät ñieän theá ñeå kích ngaét ETO leân coång n-MOSFET, n-MOSFET bò taét vaø noù ñaåy toaøn boä doøng ñieän ñang daãn qua maïch cathode (lôùp emitter n cuûa transistor npn trong caáu taïo GTO) sang maïch coång kích cuûa ETO vôùi söï hoã trôï cuûa MOSFET T2. Do ñoù, quaù trình taùi sinh trong linh kieän keát thuùc laøm linh kieän bò ngaét. Ñieåm thuaän lôïi do caáu truùc chöùa MOSFET noái tieáp mang laïi laø noù taïo ñieàu kieän ñeå chuyeån doøng ñieän töø cathode sang maïch coång thöïc hieän hoaøn toaøn vaø nhanh choùng, cho pheùp ngaét ñoàng thôøi taát caû caùc cathode trong caáu hình linh kieän. Ñieåm khoâng thuaän lôïi laø linh kieän MOSFET noái tieáp naøy phaûi daãn toaøn boä doøng ñieän qua cathode cuûa GTO, vì theá laøm taêng theâm ñoä suït aùp vaø toån hao. Tuy nhieân, caùc MOSFET naøy coù ñieän aùp thaáp khi daãn (0,3-0,5V) neân caùc heä quaû neâu treân khoâng quan troïng. ETO veà cô baûn goàm GTO coù trang bò theâm linh kieän phuï daïng MOSFET, noù giuùp ngaét GTO nhanh vaø vì vaäy giaûm ñaùng keå toån hao maïch coång. Vôùi ñaëc ñieåm nhö vaäy, chi phí maïch kích vaø maïch baûo veä giaûm ñaùng keå, ñoàng thôøi naâng cao khaû naêng coâng suaát cuûa GTO. 1-33
Ñieän töû coâng suaát 1 Baûng B1.9. So saùnh thoâng soá cuûa caùc linh kieän IGBT, GCT,ETO IGBT GCT ETO4060 ETO1045 Mitshubishi Mitsubishi (Toshiba GTO) (Westcode GTO) CM1200HA-66H FGC4000BX- SG4000JX26 WG10045S 90DS Ñieän aùp khoùa 3300V 4500V 6000V 4500V Ñieän aùp hoaït 1750VDC 3000VDC 3600VDC 3000VDC ñoäng Doøng ñieän hoat 2400A 4000A 4000A 1500A ñoäng Ñoä suït aùp khi 6.5/2400 4.0/4000 5.0/4000 4.6/1500 1250C daãn Ñoä suït aùp khi 4.1/800 2.6/1200 3.2/1200 2.6/500 1250C daãn Thôøi gian ngaét 10 3 7 7 [ µs ] Coâng suaát maïch 1 179 35 10 500Hz kích [W] 1.13 SO SAÙNH KHAÛ NAÊNG HOÏAT ÑOÄNG CUÛA CAÙC LINH KIEÄN Khaû naêng hoïat ñoäng cuûa caùc linh kieän baùn daãn coâng suaát ñöôïc so saùnh theo hai khía caïnh coâng suaát mang taûi vaø toác ñoä ñoùng ngaét ñöôïc minh hoïa treân hình H1.36 vaø H1.37 döïa theo soá lieäu tra cöùu naêm 98-99 cuûa haõng EUPEC vaø soá lieäu [44],[57]. Linh kieän GTO coâng suaát lôùn ñöôïc saûn xuaát vôùi khaû naêng chòu ñöôïc ñieän aùp/ doøng ñieän töø 2,5-6kV/1-6kA. GTO coøn ñöôïc cheá taïo chöùa diode ngöôïc vôùi toån hao thaáp, khaû naêng chòu ñieän aùp/ doøng ñieän cuûa noù ñaït ñeán 4,5kV/3kA. Linh kieän GCT ñöôc cheá taïo gaàn ñaây coù khaû naêng chòu ñöôïc ñieän aùp/ doøng ñieän 6kV/6kA vôùi khaû naêng chuyeån maïch gaàn nhö toaøn boä doøng ñieän sang maïch coång khi kích ngaét. Caûm khaùng maïch coång giaûm ñeán 1/100 so vôùi loaïi GTO thoâng thöôøng, cho pheùp toác ñoä taêng doøng ñieän coång khi kích ngaét ñeán diGQ/dt=6.000A/ µs . Thôøi gian löu tröõ ts giaûm coøn khoaûng 1/10 so vôùi cuûa GTO. Caùc tính chaát cho pheùp GCT raát thuaän tieän khi maéc song song hoaëc noái tieáp vaø khaû naêng ñieàu khieån ñoùng ngaét coâng suaát lôùn ngay caû khoâng söû duïng maïch baûo veä. Caùc diode cho nhu caàu thoâng thöôøng ñöôc cheá taïo vôùi khaû naêng chòu ñöôïc ñieän aùp thay ñoåi töø 500V ñeán 4kV vaø doøng ñieän töø 60A ñeán 3,5kA. Ñoái vôùi nhu caàu ñoùng ngaét nhanh khaû naêng doøng ñaït ñeán 800-1.700A vaø ñieän aùp 2.800-6.000V, Caùc thyristor cho nhu caàu thoâng thöôøng ñöôc cheá taïo vôùi khaû naêng chòu ñöôïc ñieän aùp thay ñoåi töø 400V ñeán 12kV vaø doøng ñieän töø 1000A ñeán 5kA. Ñoái vôùi nhu caàu ñoùng ngaét nhanh, khaû naêng doøng ñaït ñeán 800-1.500A vaø ñieän aùp 1.200- 2.500V, Caùc linh kieän IGBT daïng modul ñöôïc cheá taïo vôùi khaû naêng chòu ñöôïc ñieän aùp/ doøng ñieän 1,7-3,3kV/400-1.200A. Khaû naêng chòu ñieän aùp cao cuûa IGBT (HVIGB module) gaàn ñaây ñaõ ñaït ñeán 6kV . Caùc linh kieän cheá taïo daïng modul taïo thuaän lôïi cho vieäc laép ñaët, keát noái maïch vaø laøm giaûm kích thöôùc, troïng löôïng cuûa heä thoáng coâng suaát. 1-34
Ñieän töû coâng suaát 1 H1.36 1-35
Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG HAI BOÄ CHÆNH LÖU Boä chænh löu coù nhieäm vuï bieán ñoåi doøng ñieän xoay chieàu thaønh doøng ñieän moät chieàu. Boä chænh löu ñöôïc aùp duïng laøm nguoàn ñieän aùp moät chieàu; laøm nguoàn ñieän moät chieàu coù ñieàu khieån caáp cho caùc thieát bò maï, thieát bò haøn moät chieàu ; nguoàn ñieän cho caùc truyeàn ñoäng ñoäng cô ñieän moät chieàu ; nguoàn cung caáp cho maïch kích töø cuûa maùy ñieän moät chieàu hoaëc maùy ñieän ñoàng boä. Boä chænh löu coøn duøng ñeå chuyeån ñoåi ñieän xoay chieàu thaønh daïng moät chieàu ñeå truyeàn taûi ñi xa (HVDC). Boä chænh löu coøn taïo thaønh moät boä phaän trong thieát bò bieán taàn, cycloconverter duøng trong truyeàn ñoäng ñieän ñoäng cô xoay chieàu. Coâng suaát cuûa caùc boä chænh löu coù theå töø vaøi traêm W ñeán haøng chuïc MW. 2.1 - BOÄ CHÆNH LÖU MAÏCH TIA BA PHA KHOÂNG ÑIEÀU KHIEÅN Sô ñoà caáu taïo Caùc giaû thieát : Nguoàn ba pha lyù töôûng , ñoái xöùng (trôû khaùng trong Lb,Rb=0) u1 = Um.sinX ⎛ 2π ⎞ u2 = Um.sin ⎜ X − ⎟ (2.1) ⎝ 3 ⎠ ⎛ 4π ⎞ u3 = Um.sin ⎜ X − ⎟ ⎝ 3 ⎠ 2-1
Ñieän töû coâng suaát 1 Vôùi Um laø bieân ñoä aùp pha Um = 2 .U ; U trò hieäu duïng aùp pha . X = ω.t : giaù trò goùc öùng vôùi thôøi ñieåm t, ω : taàn soá goùc Taûi moät chieàu goàm R,L vaø söùc ñieän ñoäng E maéc noái tieáp . Giaû söû doøng qua taûi id lieân tuïc Phaân tích : Deå daøng nhaän thaáy raèng vôùi nguoàn aùp ba pha lyù töôûng khoâng theå coù hai (hoaëc ba) diode ñoàng daãn. Do doøng ñieän taûi lieân tuïc neân taïi moãi thôøi ñieåm chæ coù moät diode daãn ñieän . Baèng pheùp chöùng minh baèng phaûn chöùng, ta deå daøng suy ra keát luaän sau: diode daãn ñieän laø diode maéc vaøo nguoàn aùp xoay chieàu vôùi trò töùc thôøi lôùn nhaát trong caùc pha taïi thôøi ñieåm ñang xeùt. ⎛ π 5π ⎞ Ví duï: Trong khoaûng ⎜ 0 Nhö vaäy, ñieän aùp thuaän xuaát hieän treân diode khi daãn ñieän. Ñieàu naøy voâ lyù vì diode lyù töôûng khoâng cho pheùp aùp ñaët leân noù döông ôû cheá ñoä bò ngaét. Töông töï, giaû thieát V3 daãn trong khoaûng naøy cuõng khoâng phuø hôïp . ⎛ π 5π ⎞ Keát quaû: V1 daãn trong khoaûng ⎜ , ⎟ . ⎝ 6 6 ⎠ Heä phöông trình moâ taû traïng thaùi maïch : ⎛ π 5π ⎞ * ⎜ < X < ⎟ : V1 ñoùng, V2 vaø V3 bò ngaét. Doøng ñieän daãn qua maïch (u1, ⎝ 6 6 ⎠ v1,RLE). uv1 = 0 ; iv1 = id uv2 = u2 - u1 ; iv2 = 0 ; uv3 = u3 - u1 ; iv3 = 0 (2.2) ud = u1 di u = R.i + L. d + E d d dt ⎛ 5π 3π ⎞ * ⎜ < x < ⎟ : V2 ñoùng, V1 vaø V3 bò ngaét. Doøng ñieän daãn qua maïch ( ⎝ 6 2 ⎠ u2,v2,RLE ) uv2 = 0 ; iv2 = id uv1 = u1 - u2 ; iv1 = 0 ; uv3 = u3 - u2 ; iv3 = 0 (2.3) ud = u2 di u = R.i + L. d + E d d dt 2-2
Ñieän töû coâng suaát 1 3π 13π * < x < : V3 ñoùng,V1 vaø V2 ngaét. Doøng ñieän daãn qua maïch: ( 2 6 u3,v3,RLE ) uv3 = 0 ; iv3 = id uv1 = u1 - u3 ; iv1 = 0 ; uv2 = u2 - u3 ; iv2 = 0 (2.4) ud = u3 di u = R.i + L. d + E d d dt Daïng ñoà thò caùc ñaïi löôïng aùp vaø doøng ñieän ñöôïc veõ treân hình H2.b Heä quaû: - Ñieän aùp chænh löu coù 3 xung, chu kyø aùp chænh löu Tp = T/ 3 vôùi T laø chu kyø aùp nguoàn xoay chieàu - Khi doøng taûi lieân tuïc, ñieân aùp taûi chæ phuï thuoäc vaøo ñieän aùp nguoàn vaø coù ñoä lôùn trò trung bình Ud : π 2π 1 + 3 3 3 6 U = 6 3 U sin XdX = .U = .U (2.5) d 2π ∫π m 2π m 2π 6 3 Trò trung bình doøng ñieän taûi ôû xaùc laäp Id : Ud = R.Id + E Ud − E ⇒ Id = (2.6) R - Moãi diode daãn ñieän trong khoaûng thôøi gian 1/3 chu kyø. Do ñoù trò trung bình doøng qua diode: π 2π 1 + I I = 6 3 i .dX = d (2.7) TAV 2π ∫π T 3 6 3 Ñieän aùp ngöôïc lôùn nhaát ñaët treân diode baèng bieân ñoä aùp daây URWM= 3 .Um (2.8) 2.2 - BOÄ CHÆNH LÖU MAÏCH TIA BA PHA ÑIEÀU KHIEÅN Sô ñoà caáu taïo : Maïch chöùa nguoàn aùp xoay chieàu 3 pha lyù töôûng, 3 thyristor maéc daïng tia. Maïch ñöôïc phaân tích vôùi giaû thieát doøng qua taûi lieân tuïc. Do ñoù, taïi moãi thôøi ñieåm, doøng ñieän taûi seõ kheùp kín qua moät nhaùnh maïch chöùa nguoàn vaø thyristor daãn ñieän. Do tính chaát ñoái xöùng cuûa nguoàn, neân caùc thyristor seõ kích ñoùng ñoái xöùng theo traät töï V1 ,V2 ,V3 ,V1 2-3
Ñieän töû coâng suaát 1 Giaû thieát V3 daãn ñieän vaø ta muoán kích ñoùng V1 . Muoán vaäy ta xeùt daáu ñieän aùp treân V1 theo heä thöùc : uv1 = u1 - u3 + uv3 = u1 - u3 (do uv3 = 0) π 7π Do u1 - u3 > 0 (töùc coù aùp khoaù treân V1) khi < X < neân V1 seõ ñoùng neáu 6 6 ta thöïc hieän ñöa xung kích ñoùng noù trong khoaûng naøy. Goïi Xα laø vò trí xung kích ñöa vaøo V1 vaø α laø goùc cho bôûi: π α = Xα - (2.9) 6 Goùc α ñöôïc goïi laø goùc kích hoaëc goùc ñieàu khieån cuûa thyristor vaø coù ñoä lôùn ñöôïc tính töø thôøi ñieåm xuaát hieän ñieän aùp khoùa treân thyristor ñang xeùt ñeán thôøi ñieåm ñöa xung kích vaøo coång ñieàu khieån cuûa thyristor ñoù. Taïi vò trí coù goùc ñieàu khieån α , V1 ñoùng neân : uv1 = 0. Treân V3 xuaát hieän ñieän aùp ngöôïc ñaët tröïc tieáp giöõa anode-cathode : uv3 = u3 - u1 < 0 neân V3 ngaét. Doøng ñieän taûi kheùp kín qua maïch ( u1 , V1 ,RLE ). Caùc phöông trình moâ taû maïch luùc V1 daãn coù daïng: uv1 = 0 ; iv1 = id uv2 = u2 - u1 ; iv2 = 0 ; uv3 = u3 - u1 ; iv3 = 0 di u = R.i + L. d + E (2.10) d d dt Töông töï , ta phaân tích caùc quaù trình kích ñoùng V2 ,V3. 2-4
Ñieän töû coâng suaát 1 Doøng ñieän qua V3 bò ngaét do taùc duïng ñieän aùp nguoàn xoay chieàu (u3-u1) neân ñieän aùp chuyeån maïch laø ñieän aùp nguoàn. Do ñieän aùp chuyeån maïch taïo thaønh töø baûn thaân cuûa nguoàn ñieän (maïch coâng suaát ) neân quaù trình chuyeån maïch ñöôïc goïi laø quaù trình chuyeån maïch töï nhieân hoaëc quaù trình chuyeån maïch phuï thuoäc. Caùc heä quaû khi doøng lieân tuïc - Ñieän aùp taûi coù daïng khoâng phuï thuoäc ñoä lôùn doøng ñieän taûi vaø caùc tham soá maïch taûi vaø chæ phuï thuoäc vaøo ñieän aùp nguoàn vaø goùc ñieàu khieån α. Ñieän aùp taûi coù 3 xung trong 1 chu kyø T cuûa aùp nguoàn. Chu kyø aùp chænh löu Tp treân taûi baèng Tp = T/3. - Trò trung bình aùp chænh löu treân taûi 7 π α+ 1 6 3 3 3 6 Ud ()α = π Um sin XdX = Um cos α = .U. cos α (2.11 ) 2π ∫α+ 2π 2π 6 3 - Phaïm vi goùc ñieàu khieån α : do ñieän aùp khoùa treân thyristor chæ toàn taïi trong khoaûng goùc 0 neân goùc ñieàu khieån coù phaïm vi ñieàu khieån laø (0,π ). Töø ñoù, ñieän aùp chænh löu trung bình Ud seõ coù ñoä lôùn naèm trong 3 6 3 6 khoaûng: − .U < U < + .U (2.12) 2π d 2π - Khi ñieän aùp treân taûi coù trò trung bình döông, taûi nhaän naêng löôïng töø nguoàn vaø boä chænh löu laøm vieäc ôû cheá ñoä chænh löu. Khi aùp trung bình treân taûi aâm, do doøng taûi chæ döông neân taûi phaùt ra naêng löôïng vaø ta goïi boä chænh löu laøm vieäc ôû cheá ñoä nghòch löu . - Ñònh möùc linh kieän: - Moãi thyristor daãn ñieän trong 1/3 chu kyø aùp nguoàn do ñoù trò trung Id bình doøng qua noù ITAV = . (2.13) 3 Ñieän aùp khoùa vaø aùp ngöôïc lôùn nhaát coù theå xuaát hieän treân linh kieän coù ñoä lôùn baèng: UDRM = URRM = 6.U (2.14) Ví duï 2.1: Boä chænh löu maïch tia 3 pha ñieàu khieån maéc vaøo taûi chöùa R = 10Ω , E=50 V vaø taûi raát lôùn laøm doøng taûi lieân tuïc vaø phaúng. AÙp nguoàn xoay chieàu 3 pha coù trò hieäu duïng U=220 V. Maïch ôû traïng thaùi xaùc laäp. a. Tính trò trung bình cuûa ñieän aùp chænh löu vaø doøng chænh löu khi goùc ñieàu π khieån α = [rad] 3 b. Tính coâng suaát trung bình cuûa taûi . c. Tính trò trung bình doøng qua moãi linh kieän d. Tính trò hieäu duïng doøng qua moãi pha nguoàn . e. Tính heä soá coâng suaát nguoàn . Giaûi: 2-5
Ñieän töû coâng suaát 1 a/- Doøng qua taûi lieân tuïc neân suy ra: ()3 6 .U.cosα Ud α = 2π π Thay U= 220 [v], α = [rad], ta thu ñöôïc 3 3 6 ⎛ π ⎞ Ud()α = .220.cos⎜ ⎟ = 128,6 [V] 2π ⎝ 3 ⎠ Maïch ôû traïng thaùi xaùc laäp neân ta coù: U d − E Ud = RId + E , hay Id = R Thay Ud = 128,6 [V]; E = 50 [V]; R= 100[Ω] ta coù keát quaû: 128,6 − 50 Id = = 7,87[A] 10 b. Do doøng taûi phaúng neân ta söû duïng heä thöùc tính coâng suaát trung bình sau: Pd = Ud. Id hay Pd =128,6x 7,86 = 101,8 [W] c. Moãi linh kieän daãn ñieän trong khoaûng thôøi gian baèng nhau vaø baèng 1/3 chu kyø löôùi. Töø ñoù, doøng trung bình qua moãi linh kieän baèng: ITAV= Id / 3 =7,83 / 3 =2,62 [A] d. Töø daïng ñoà thò doøng qua pha nguoàn cuûa boä chænh löu, ta coù trò hieäu duïng doøng I: I I = d 3 I = 4,54.[A] e. Heä soá coâng suaát cuûa nguoàn λ P λ = S ⎛ ⎞ 1 2π ⎜ ⎟ vôùi P = ⎜u1i1 + u2i2 + u3i3 ⎟dX 2π ∫0 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Neáu boû qua coâng suaát toån hao treân linh kieän, ta coù: P = Pd =1010,8 W=1,01kW Coâng suaát bieåu kieán cuûa nguoàn S = UÙ1I1+ UØ2I2+ U3I3= 3U1I1 vôùi : U1=U=220 V ; I1=I= 4,54 A ; S= 3.220.4,54 = 2904 VA=2,9kVA Heä soá coâng suaát cuûa nguoàn S: P 1010,8 λ= = = 0,3481 S 2904 Ghi chuù: heä soá coâng suaát thay ñoåi phuï thuoäc vaøo goùc ñieàu khieån vaø coù ñoä lôùn giaûm daàn khi goùc ñieàu khieån taêng daàn vaø ñaït giaù trò lôùn nhaát khi goùc ñieàu khieån baèng 0 (gioáng nhö tröôøng hôïp chænh löu khoâng ñieàu khieån). Heä soá coâng suaát nguoàn thöôøng coù giaù trò nhoû hôn 1 ngay caû khi goùc ñieàu khieån nhoû nhaát (α=0). 2-6
Ñieän töû coâng suaát 1 Ví duï 2.2: Tính trò trung bình aùp vaø doøng chænh löu, coâng suaát taûi tieâu thuï cuûa boä chænh löu maïch tia ba pha ñieàu khieån. Taûi coù R= 10 [Ω], E=50 [V] vaø L=0. AÙp nguoàn U=220 [V]; goùc ñieàu khieån π α = [rad]. 3 Giaûi: Phaân tích: giaû söû luùc ñaàu doøng qua taûi baèng 0. Ta coù : π Ud = R.Id + E =E Khi 0 0 ⎝ 3 ⎠ ⎝ 3 ⎠ laø aùp khoùa, laïi coù xung kích (IG1 >0) neân V1 ñoùng. Doøng ñieän kheùp kín qua maïch (u 1,V1,RE). Luùc ñoù: uv1 =0 vaø ud = -uv1 + u1 = u1 ud − E u1 − E iv1 =id = = R R Doøng V1 sau ñoù giaûm veà 0 taïi X= X1 khi u1 =E iv1(X1) =0 ⇒ iv1 bò ngaét. Doøng taûi id bò giaùn ñoaïn (traïng thaùi 0), phöông trình moâ taû maïch: id =0 ud = E = 50 V Traïng thaùi 0, keùo daøi ñeán khi V2 ñöôïc kích. Hieän töôïng ñoùng vaø ngaét doøng qua V2 dieãn ra töông töï nhö ñoái vôùi V1. Töø ñoà thò minh hoïa caùc quaù trình treân hình H2.3, ta coù: a. Trò trung bình ñieän aùp chænh löu Ud. Do doøng taûi id bò giaùn ñoaïn neân ta khoâng aùp duïng coâng thöùc tính Ud cuûa tröôøng hôïp doøng lieân tuïc ñöôïc. Ta coù: 2-7
Ñieän töû coâng suaát 1 5π ⎡ 5π ⎤ 1 α + 3 X 1 α + 6 ⎢ 6 ⎥ U d ()α = π ud .dx = π U m sin xdx + E.dx 2π ∫ +α 2π ⎢∫∫α + X 1 ⎥ 6 ⎣ 6 ⎦ 3 3 ⎡ ⎛ π ⎞ ⎤ ⎛ 5π ⎞ U d ()α = {U m ⎢cos⎜α + ⎟ − cos X1⎥ + E⎜α + − X1 ⎟ } 2π ⎣ ⎝ 6 ⎠ ⎦ ⎝ 6 ⎠ 2 ⎡ ⎛ π π ⎞ ⎤ ⎛ π 5π ⎞ = {220. 2⎢cos⎜ + ⎟ − cos()2,98 ⎥ + 50⎜ + − 2,98⎟ } 3π ⎣ ⎝ 3 6 ⎠ ⎦ ⎝ 3 6 ⎠ = 72,4V Trò trung bình doøng taûi ôû xaùc laäp: U − E 72,4 − 50 I = d = = 2,24A d R 10 b. Coâng suaát trung bình treân taûi: 5 π α+ 1 6 P = u .i dx d 2 π ∫ d d π α+ 3 6 X ⎡ X 2 X ⎤ 3 1 ud − E 3 11ud E Pd = π ud . .dx = ⎢ π dx − π .uddx⎥ 2π ∫α+ R 2π ∫∫α+ R α+ R 6 ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ π Thay X1 =2,98 [rad], α = [rad],u = 220 2 sin x 3 d E =50 [V], R = 10[Ω] vaø laáy tích phaân ta thu ñöôïc: Pd =5.553W=5,55kW 2.3 - BOÄ CHÆNH LÖU CAÀU BA PHA ÑIEÀU KHIEÅN HOAØN TOAØN Sô ñoà caáu taïo: Maïch nguoàn xoay chieàu ba pha lyù töôûng maéc vaøo boä chænh löu caàu goàm 6 thyristor. Caùc ñieän aùp udA , udK laø ñieän aùp töø ñieåm nuùt chung cuûa caùc nhoùm linh kieän ñeán ñieåm trung tính cuûa nguoàn aùp ba pha. Phaân tích: Maïch ñieän ñöôïc phaân tích vôùi giaû thieát doøng ñieän qua taûi id lieân tuïc. Theo pheùp coäng ñieän aùp, ta coù: 2-8
Ñieän töû coâng suaát 1 ud = udA - udK Ta seõ chöùng minh raèng neáu doøng taûi lieân tuïc, ñieän aùp udA seõ chæ phuï thuoäc vaøo goùc kích ñoùng cuûa nhoùm linh kieän ( V1 ,V3 ,V5 ) vaø ñieän aùp nguoàn ; vaø aùp udK phuï thuoäc goùc kích ñoùng cuûa nhoùm (V2 ,V4 ,V6 ) Thaät vaäy, xeùt nhoùm anode (V1 ,V3 ,V5 ), giaû söû raèng V1 ñoùng vaø V3, V5 bò ngaét, ta coù: iV1 = id ; iV3 = 0 ; iV5 = 0 uV1 = 0 ; uV3 = u2 - u1 ; uV5 = u3 - u1 ; udA = u1 Roõ raøng, caùc heä thöùc moâ taû ñieän aùp nhoùm anode khoâng phuï thuoäc vaøo traïng thaùi kích ñoùng cuûa caùc thyristor nhoùm cathode. Do ñoù, ñeå khaûo saùt ñieän aùp udA, ta chæ caàn xeùt ñeán traïng thaùi kích ñoùng cuûa caùc thyristor (V1 ,V3 ,V5 ). Caùc heä thöùc moâ taû ñieän aùp nhoùm anode coù daïng gioáng nhö maïch chænh löu tia ba pha vôùi aùp chænh löu udA, (hình H2.5). Goùc ñieàu khieån α ví duï cuûa V1, ñöôïc tính töø vò trí xuaát hieän aùp khoùa treân V1 töùc uv1 = u1 - u3 > 0 Töông töï, hoaït ñoäng nhoùm cathode coù theå phaân tích döôùi daïng chænh löu maïch tia ba pha vôùi aùp chænh löu udK. Goùc ñieàu khieån, ví duï cuûa V2 ñöôïc tính töø vò trí xuaát hieän ñieän aùp khoaù treân V2, töùc laø: uV2 = u2 - u3 > 0 Phöông trình ñieän aùp taûi vaø doøng taûi: ud = udA - udK di u = R.i + L. d + E d d dt Toång hôïp caùc keát quaû phaân tích ôû treân, ta coù theå vieát phöông trình moâ taû traïng thaùi maïch, ví duï khi V1 ,V2 ñoùng : uV1= 0 ; uV2 = 0 ; uV3 = u2 - u1 ; uV4 = u3 - u1 iV1 = id ; iV2 = id ; iV3 = 0 ; iV4 = 0 uV5 = u3 - u1 ; uV6 = u3 - u2 iV5 = 0 ; iV6 = 0 ud = udA - udK = u1 - u3 di u = R.i + L. d + E (2.15) d d dt Ñoà thò ñieän aùp vaø doøng ñieän caùc ñaïi löôïng maïch ñöôïc veõ treân hình H2.6 Xung kích: 2-9
Ñieän töû coâng suaát 1 Giaû söû taïi thôøi ñieåm ñöa xung kích cho thyristor V2 baét ñaàu traïng thaùi (V1V2). Neáu doøng ñieän taûi lieân tuïc, vieäc kích V2 seõ laøm cho noù daãn ñieän. Neáu doøng ñieän taûi ôû traïng thaùi giaùn ñoïan, vieäc ñöa xung kích cho V2 khoâng theå laøm noù daãn vì doøng ñieän khoâng theå kheùp kín qua nhoùm anode ñang ôû traïng thaùi ngaét. Trong tröôøng hôïp naøy, ñeå taïo ñieàu kieän cho vieäc kích V2 thaønh coâng, xung kích phaûi ñöôïc ñöa ñoàng thôøi cho caû V1. Nhö vaäy, V1 ñöôïc kích laäp laïi. Töông töï khi khaûo saùt vieäc chuyeån maïch giöõa caùc linh kieän coøn laïi. Trình töï kích V1V2, V6 cuoái cuøng coù daïng nhö treân hình veõ H2.6b. Khoaûng caùch giöõa xung kích ñoàng thôøi ñeán xung kích laäp laïi baèng π 3 . Ngoaøi daïng xung ñôn kích laäp laïi treân linh kieän vöøa neâu (kyõ thuaät kích ñoâi – double trigger), xung kích coù theå ôû daïng chuoãi xung hoaëc daïng xung kích lieân tuïc (H2.6c). Heä quaû: Khi doøng ñieän taûi lieân tuïc: -Daïng ñieän aùp taûi coù 6 xung vaø chæ phuï thuoäc vaøo goùc ñieàu khieån vaø 1 ñieän aùp nguoàn xoay chieàu. Chu kyø xung chænh löu baèng chu kyø aùp nguoàn 6 1 Tp = T (2.16) 6 Trò trung bình ñieän aùp chænh löu: 2 π x + 1 0 6 3 3 Ud ()α = ∫ uddX = UdA ()α − UdK ()α = Umcos α 2π x0 π 6 3 6 U ( α) = U .cos α (2.17) d π U vôùi U laø trò hieäu duïng ñieän aùp pha U = m 2 - Phaïm vi goùc ñieàu khieån α : baèng phaïm vi goùc ñieàu khieån cuûa caùc nhoùm chænh löu maïch tia, töùc ( 0, π). Do ñoù, ñieän aùp trung bình treân taûi coù theå ñieàu khieån thay ñoåi trong khoaûng ⎪⎧ 3 6 3 6 ⎪⎫ ⎨− .U, .U ⎬ (2.18) ⎩⎪ π π ⎭⎪ Ud − E Doøng trung bình qua taûi (RLE): Id = R 1 Moãi thyristor daãn ñieän trong chu kyø aùp nguoàn neân trò trung bình doøng 3 ñieän qua noù: 2-10
Ñieän töû coâng suaát 1 Id ITAV = (2.19) 3 Ñieän aùp khoùa vaø aùp ngöôïc cöïc ñaïi xuaát hieän treân linh kieän U DRM = U RRM = 3.Um = 6U (2.20) - Doøng ñieän qua nguoàn ñieän aùp, ví duï qua pha 1: i1 = iV1 - iV4 Tri hieäu duïng doøng ñieän qua nguoàn ñöôïc xaùc ñònh vôùi giaû thieát doøng taûi khoâng ñoåi: 2 π 1 1 2 2 2 I = [ i1 .dX ] = .Id (2.21) 2π ∫0 3 Baèng caùch phaân tích Fourier doøng ñieän qua nguoàn cho tröôøng hôïp goùc kích α = 0 , ta xaùc ñònh bieåu thöùc doøng ñieän qua pha thöù nhaát: 2 3 1 1 1 1 i (t ) = I .(sin ωt + sin 5ωt + sin 7 ωt + sin11ωt + sin13ωt − ) (2.22) a π d 5 7 11 13 Keát quaû cho thaáy doøng ñieän qua nguoàn bao goàm ngoøai thaønh phaàn cô baûn coøn coù caùc soùng haøi baäc 6k ± 1, k=1,2,3 Caùc thaønh phaàn soùng haøi doøng ñieän gaây ra nhieàu aûnh höôûng baát lôïi trong heä thoáng ñieän löôùi neân chuùng caàn ñöôïc khöû boû. Maïch loïc cô baûn ñöôïc laép ñaët giöõa heä thoáng löôùi ñieän vaø boä chænh löu bao goàm caùc boä loïc coäng höôûng LC vaø maïch loïc thoâng cao RLC. Maïch loïc coäng höôûng ñöôïc hieäu chænh chuû yeáu cho caùc soùng haøi baäc 5 vaø 7 vì chuùng coù bieân ñoä lôùn nhaát. Ví duï 2.3Ï: Cho boä chænh löu caàu 3 pha ñieàu khieån hoaøn toaøn vôùi caùc tham soá sau: aùp daây nguoàn ac 480V, f=50Hz. Taûi R=10, L=50mH. Xaùc ñònh goùc kích ñeå doøng taûi trung bình baèng 50A Giaûi: Trò trung bình aùp taûi: Ud=R.Id=50.10=500V Goùc kích: ⎛ U .π ⎞ ⎛ 500.π ⎞ α = ar cos⎜ d ⎟ = ar cos⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 3 2.U L ⎠ ⎝ 3 2.480 ⎠ α = 39,50 2-11
Ñieän töû coâng suaát 1 2.4 - BOÄ CHÆNH LÖU CAÀU MOÄT PHA ÑIEÀU KHIEÅN HOAØN TOAØN Sô ñoà maïch veõ treân hình H2.8: Baèng caùch chia nguoàn ñieän aùp u laøm 2 nöûa baèng nhau, ta taïo neân heä thoáng nguoàn xoay chieàu 2 pha ñoái xöùng u1, u2 u U m u1 = = sin X 2 2 (2.25) u U u = − = m sin()X − π 2 2 2 Baøi toùan phaân tích hoaït ñoäng maïch chænh löu caàu moät pha ñöôïc qui ñoåi thaønh phaân tích hai nhoùm maïch chænh löu tia hai pha (hình H2.9). Nhoùm anode goàm V1,V3. Goùc ñieàu khieån α ñöôïc tính töø thôøi ñieåm baét ñaàu xuaát hieän aùp khoùa treân linh kieän ñeán khi ñöa xung kích vaøo coång ñieàu khieån cuûa noù, ví duï, ñoái vôùi V1, aùp khoùa toàn taïi khi u1 - u2 = u > 0 hay u1 > 0. Khi V1 daãn: uV1 = 0 ;uV3 = u2 - u1 = -u udA = u1 Khi V3 daãn: uV3 = 0 ;uV1 = u1 - u2 =u udA = u2 Töông töï nhoùm cathode goàm V2,V4, goùc α cho V4 ñöôïc tính töø thôøi ñieåm: u2 -u1 = - u >0, töùc u >0 Khi V4 daãn : uV4 = 0 ; uV2 = u1 - u2 =u ; udA = u1 Khi V2 daãn : uV2 = 0 ; uV4 = u2 - u1 =-u ; udA = u2 Ñieän aùp vaø doøng taûi chænh löu ud = udA - udK di u = R.i + L. d + E d d dt 2-12
Ñieän töû coâng suaát 1 Toång hôïp caùc keát quaû phaân tích, ta coù theå bieåu dieãn traïng thaùi hoaït ñoäng cuûa maïch chænh löu, ví duï khi V1V2 ñoùng baèng heä phöông trình sau : uv1 = 0 ; iv1 = id uv2 = 0 ; iv2 =id ; uv3 = - u ; iv3 = 0 (2.26) uV4 = -u ; iV4 = 0 ud = u di u = R.i + L. d + E d d dt Keát quaû phaân tích döôùi daïng ñoà thò ñöôïc veõ treân hình H2.10 Caùc heä quaû: - Neáu doøng qua taûi lieân tuïc, ñieän aùp taûi coù daïng chæ phuï thuoäc vaøo goùc ñieàu khieån α vaø aùp nguoàn. Daïng aùp chænh löu coù hai xung trong moät chu kyø aùp nguoàn vôùi chu kyø xung chænh löu baèng 1/2 chu kyø aùp löôùi Tp = T/2 - Ví duï khi V1 daãn, aùp khoùa xuaát hieän treân V3 khi uV3 = -u > 0, töùc trong nöûa chu kyø aâm cuûa aùp nguoàn. Töø ñoù suy ra, phaïm vi goùc ñieàu khieån α laø ( 0,π ) - Trò trung bình ñieän aùp chænh löu : α +π α +π 1 1 2Um Ud ()α = ud dX = Um.sin XdX = cosα π ∫α π ∫α π (2.27) 2 2 U ()α = U cosα d π Vôùi 0 < α < π, ñieän aùp chænh löu trung bình ñöôïc ñieàu khieån thay ñoåi trong khoaûng: 2 2 2 2 − .U < U ()α < + .U (2.28) π d π - Moãi thyristor daãn ñieän trong 1/2 chu kyø aùp nguoàn, töø ñoù trò trung bình doøng Id qua noù baèng . Ñieän aùp cöïc ñaïi xuaát hieän treân thyristor baèng bieân ñoä aùp nguoàn Um 2 2-13
Ñieän töû coâng suaát 1 Ví duï 2.4 Cho boä chænh löu caàu 1 pha ñieàu khieån hoaøn toaøn vôùi caùc tham soá sau: aùp pha nguoàn ac 120V, f=50Hz. Taûi R-L maéc noái tieáp R=10 Ω , L=100mH. Goùc kích α = 600 . Xaùc ñònh cheá ñoä doøng ñieän taûi vaø trò trung bình cuûa noù Giaûi: Coù theå kieåm chöùng ñeå thaáy raèng doøng ñieän taûi lieân tuïc. 2 2 2 2 Trò trung bình aùp taûi: U = U.cosα = 120.cos600 = 54V d π π 2.5 – CAÙC BOÄ CHÆNH LÖU ÑIEÀU KHIEÅN CHÖÙA DIODE – QUI TAÉC PHAÂN TÍCH MAÏCH BOÄ CHÆNH LÖU TOÅNG QUAÙT Caùc diode xuaát hieän trong boä chænh löu ñieàu khieån döôùi daïng maïch ñieàu khieån baùn phaàn hoaëc daïng diode khoâng (diode zero), hoaëc trong daïng boä chænh löu khoâng ñieàu khieån. Caùc diode duøng thay thyristor trong maïch laøm giaûm giaù thaønh maïch ñoäng löïc laãn maïch ñieàu khieån, haïn cheá thaønh phaàn xoay chieàu cuûa doøng chænh löu, ñieàu naøy daãn ñeán chaát löôïng doøng ñieän phaúng hôn. Do ñoù, taêng hieäu suaát cuõng nhö heä soá coâng suaát nguoàn ñieän. ÔÛ moät vaøi daïng maïch, vieäc ñöa theâm diode vaøo maïch laøm taêng khaû naêng ñieàu khieån goùc α trong thöïc teá ñaït ñeán giaù trò lyù töôûng (ví duï αmax = π ) Phaân tích hoaït ñoäng cuûa caùc boä chænh löu chöùa diode coù theå döïa treân ba böôùc chính 1/ -Taùch daïng maïch chænh löu caàu thaønh hai nhoùm maïch tia maéc noái tieáp. Moãi nhoùm maïch tia goàm hai hai nhieàu nhaùnh maïch tia maéc song song. Moãi nhaùnh cuûa maïch tia coù theå goàm: a. nguoàn ñieän maéc noái tieáp vôùi linh kieän. Linh kieän coù theå ôû daïng ñieàu khieån (SCR) hoaëc khoâng ñieàu khieån (diode) b. linh kieän. Tröôøng hôïp naøy, nguoàn ñieän ñöôïc giaû thieát baèng 0. 2/- Vôùi giaû thieát doøng ñieän qua taûi lieân tuïc vaø boû qua taùc duïng caûm khaùng trong cuûa nguoàn, thöïc hieän phaân tích giaûn ñoà ñoùng ngaét caùc linh kieän trong töøng nhoùm maïch tia theo qui taéc phaân tích boä chænh löu maïch tia nhö sau: Qui taéc 1: Daáu qui öôùc choïn cho caùc ñieän aùp pha nguoàn coù cöïc döông tieáp xuùc vôùi anode linh kieän. Trong nhoùm maïch chænh löu maïch tia nhieàu pha, taïi thôøi ñieåm ñang xeùt giöõa caùùc thyristor ñöôïc kích ñoàng thôøi, diode vaø linh kieän ñang daãn ñieän thì linh kieän naøo maéc vaøo nguoàn aùp pha coù trò töùc thôøi lôùn nhaát trong taát caû caùc pha nguoàn seõ chuyeån sang traïng thaùi ñoùng, taát caû caùc linh kieän coøn laïi bò ngaét. (Diode ñöôïc xem nhö moät daïng ñaëc bieät cuûa thyristor coù cheá ñoä kích ñoùng lieân tuïc). Qui taéc 2: Trong tröôøng hôïp, daáu ñieän aùp pha nguoàn ngöôïc laïi vôùi qui taéc 1- Trong nhoùm maïch chænh löu maïch tia nhieàu pha, taïi thôøi ñieåm ñang xeùt, giöõa caùùc thyristor ñöôïc kích ñoàng thôøi, diode vaø linh kieän ñang daãn ñieän thì linh kieän naøo maéc vaøo nguoàn aùp pha coù trò töùc thôøi nhoû nhaát trong taát caû caùc pha nguoàn seõ chuyeån sang traïng thaùi ñoùng, taát caû caùc linh kieän coøn laïi bò ngaét Khi moät nhaùnh cuûa maïch tia chæ chöùa linh kieän thì ñieän aùp nguoàn cuûa nhaùnh ñoù baèng 0. Moät linh kieän ñang daãn ñieän seõ bò ngaét khi coù linh kieän khaùc maéc vaøo nguoàn aùp töùc thôøi lôùn hôn ñöôïc kích ñoùng 2-14
Ñieän töû coâng suaát 1 3/ -Keát hôïp giaûn ñoà ñoùng ngaét linh kieän cuûa caùc nhoùm maïch tia ñeå taïo thaønh giaûn ñoà ñoùng ngaét linh kieän cuûa boä chænh löu caàu. Theo giaûn ñoà ñoùng ngaét ñoù, ta xaùc ñònh ñieän aùp taûi chænh löu caàu vaø giaûi phöông trình maïch ñeå xaùc ñònh doøng ñieän taûi. - Neáu doøng taûi bò giaùn ñoaïn thì khoaûng coù doøng giaùn ñoaïn seõ ñöôïc thay theá baèng traïng thaùi khoâng daãn ñieän vaø daïng aùp treân taûi trong khoaûng naøy ñöôïc thay baèng söùc ñieän ñoäng toàn taïi trong maïch (ud=E, neáu coù ) hoaëc baèng khoâng (ud=0, neáu taûi RL), coøn trong khoaûng thôøi gian doøng taûi lieân tuïc, ñieän aùp taûi phuï thuoäc vaøo aùp nguoàn vaø goùc kích xaùc giöõ nguyeân töø keát quaû phaân tích theo qui taéc. Ví duï 2.5: aùp duïng qui taéc phaân tích boä chænh löu ñeå xaùc ñònh quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän cho boä chænh löu caàu 1 pha ñieàu khieån baùn phaàn daïng khoâng ñoái xöùng. Giaû thieát doøng taûi lieân tuïc. Höôùng daãn: Maïch caàu ñöôïc phaân tích thaønh hai maïch tia – nhoùm anode V1V3 vaø nhoùm cathode V2V4. Nhoùm maïch tia anode V1,V3 vôùi caùc pha nguoàn töông öùng laø u vaø 0, daáu qui öôùc thoûa maõn qui taéc 1. Nhoùm cathode goàm V2,V4 vôùi caùc pha nguoàn töông öùng laø u vaø 0, daáu nguoàn thoûa maõn qui taéc 2. Giaûn ñoà ñoùng ngaét linh kieän V1V2V3V4 ñöôïc suy ra treân hình veõ H2.12. Toång hôïp giaûn ñoà ñoùng ngaét linh kieän cuûa hai nhoùm maïch tia, ta coù giaûn ñoà ñoùng ngaét cho maïch caàu- xem hình veõ H2.12. Töø ñoù, quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän ñöôïc daãn giaûi nhö sau: Traïng thaùi V1V2: ud=u Traïng thaùi V2V3: ud=0 Traïng thaùi V3V4: ud=-u Phöông trình doøng ñieän taûi aùp duïng cho caùc traïng thaùi laø: di u = R.i + L. d + E d d dt Trò trung bình ñieän aùp taûi: 2-15
Ñieän töû coâng suaát 1 U U 2 U (α) = m (1 + cosα) = (1 + cosα) (2.29) d π π Neáu giaû thieát doøng qua taûi ñöôïc loïc phaúng id=Id, ta coù: π − α π + α - Trò trung bình doøng qua linh kieän: I = .I ; I = .I (2.30) SCRAV 2.π d DAV 2.π d π − α - Trò hieäu duïng doøng ñieän qua nguoàn: I = .I (2.31) π d Ví duï 2.6: AÙùp duïng qui taéc phaân tích boä chænh löu ñeå xaùc ñònh quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän cho boä chænh löu caàu 1 pha ñieàu khieån baùn phaàn daïng ñoái xöùng. Giaû thieát doøng taûi lieân tuïc. Höôùng daãn: Maïch caàu ñöôïc phaân tích thaønh hai maïch tia –nhoùm anode V1V3 vaø nhoùm cathode V2V4 (hình H2.13). 2-16