Giáo trình Điện tử công suất - Nghề: Điện tàu thuỷ, điện công nghiệp, điện dân dụng, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
NGHỀ: ĐIỆN TÀU THUỶ, ĐIỆN CÔNG
NGHIỆP, ĐIỆN DÂN DỤNG, CÔNG NGHỆ KỸ
THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số ...... QĐ/ ngày .....tháng......năm....của........)
Hải Phòng, năm 2017
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Điện tử công suất được xây dựng dựa trên đề cương chi tiết môn
học "Điện tử công suất" cho hệ Cao đẳng ngành Điện Trường Cao đẳng Hàng hải
I.
Giáo trình được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên chuyên ngành điện
các kiến thức cơ bản về linh kiện bán dẫn, mạch điện tử công suất, các mạch chỉnh
lưu, các bộ biến đổi năng lượng dòng điện và điện áp.
Giáo trình bao gồm 4 chương:
Chương 1: Các phần tử bán dẫn công suất
Chương 2: Chỉnh lưu
Chương 3: Các bộ biến đổi xung áp
Chương 4: Nghịch lưu độc lập
Giáo trình là tài liệu phục vụ cho công tác giảng dạy của giảng viên và học
tập của học sinh, sinh viên ngành Điện tại trường Cao đẳng Hàng hải I.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, giảng viên khoa Điện - Điện
tử Trường Cao Hàng Hải I đã giúp đỡ để hoàn thành giáo trình này. Trong quá
trình biên soạn giáo trình không tránh khỏi thiếu sót và rất mong nhận được
những ý kiến, nhận xét của bạn đọc.
Mọi ý kiến xin được gửi về Khoa Điện. Điện tử trường CĐHHI, số 498 Đà
Nẵng - Đông Hải I - Hải An - Hải Phòng.
Hải Phòng, ngày 9 tháng 10 năm 2017
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Hà Thị Hồng Thúy
3
MỤC LỤC
STT
Nội dung
Trang
3
1
2
3
4
5
Lời giới thiệu
Mục lục
4
5
7
9
Danh mục từ viết tắt, thuật ngữ chuyên ngành
Danh mục hình vẽ
Nội dung
Chương 1: Các phần tử bán dẫn công suất
1. Diode
2 Transistor công suất - BJT
3. Transistor trường - MOSFET
4. Thyristor
12
12
16
18
20
24
27
29
33
33
35
40
42
43
46
50
50
56
63
63
64
66
73
5. Triac
6. Thyristor khóa bằng cực điều khiển - GTO
7. Transistor có cực điều khiển cách ly - IGBT
Chương 2: Chỉnh lưu
1. Khái quát chung
2. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ
3. Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ
4. Chỉnh lưu cầu một pha
5. Chỉnh lưu tia 3 pha
6. Chỉnh lưu cầu 3 pha
Chương 3: Bộ biến đổi xung áp
1. Các bộ biến đổi xung áp một chiều
2. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều
Chương 4: Các bộ nghịch lưu
1. Khái quát chung về bộ nghịch lưu
2. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng
3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp
Tài liệu tham khảo
6
4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH
STT Kí hiệu
Tiếng Anh
Nghĩa tiếng Việt
Cực A nốt
Dòng điện xoay chiều
Biến đổi tương tự - số
Ngõ vào tương tự
Cực gốc
1.
2.
A
AC
ADC
AIN
B
Anode
Alternating current
Analog Digital Convert
Analog Input
Base
3.
4.
5.
6.
7.
BJT
C
Bipolar Junction Transistor
Collector
Bóng bán dẫn (Transistor)
Cực góp
8.
9.
Ctr
CSI
D
Control
Current Source Inverters
Diode
Điều khiển
Đảo ngược nguồn dòng
Đi ốt bán dẫn
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17
18.
19
20.
D
Drain
Cực máng
DAC
DC
DIN
e
E
G
G
Ge
GND
Digital Analog Convertert
Direct Current
Digital Input
Electron
Emitter
Gate
Giga
Gemany
Ground
Biến đổi số - tương tự
Dòng điện một chiều
Ngõ vào số
Điện tử tự do
Cực phát
Cực cổng (cực điều khiển)
Đơn vị đo (109)
Tinh thể bán dẫn Gecmay
Điểm nối đất (mass)
Thyristor khóa bằng cực
điều khiển
21.
GTO
Gate turn off Thyristor
22.
23
I/O
IC
Input/Output
Ngõ vào/Ngõ ra
Integrated Circuit
Insulated Gate Bipolar
Transistor
Mạch bán dẫn tích hợp
Transistor có cực điều khiển
cách ly
24.
IGBT
Junction
Junction Field- Effect
Transistor
Cathode
Thyristors cực điều khiển
tích hợp
Tiếp giáp, vùng chuyển tiếp
Transistor hiệu ứng trường
chuyển tiếp kênh dẫn
Cực Ca tốt
25
26.
27.
IGCT
J
JFET
28.
29
K
L
Load L
Tải
30.
LCD
Liquid Crystal Display
Màn hình tinh thể lỏng
MOSFE Metal Oxide- Semiconductor Transistor hiệu ứng trường
31.
T
n
Field- Effect Transistor
Negative
cực cổng cách điện
Chất bán dẫn loại n (-)
Đóng/Ngắt
32.
33. ON/OFF On/Off
34. Positive
p
Chất bán dẫn loại p (+)
5
Proportional Integral
Derivative
Programmable Logic
Controller
Pulse With Modulation
Resistor Load
Source
Silicon Controlled Rectifier
Silic
Switch
Bộ điều khiển vi tích phân
tỉ lệ
Thiết bị điều khiển lập trình
được (khả trình)
Điều chế độ rỗng xung
Tải thuần trở
Cực nguồn
Van bán dẫn SCR
Tinh thể Silic
Công tắc, chuyển mạch
Kí hiệu van bán dẫn
Van bán dẫn xoay chiều
Bộ lưu trữ điện
35.
36.
PID
PLC
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
PWM
R
S
SCR
Si
SW
T
Transistor, Thyristor, Triac
TRIAC Triode Alternative Current
UPS
V
VFD
VSD
VVI
VT
Uninterruptible Power Suppl
Voltage
Variable Frequency Drive
Variable Speed Drive
Variable Voltage Inverters
Voltage Transformer
Điện áp
Điều khiển tần số
Điều khiển tốc độ
Biến đổi điện áp
Máy biến áp
6
DANH MỤC HÌNH VẼ
STT
Tên hình
Trang
12
13
13
13
16
16
17
17
17
19
19
19
20
20
21
21
23
23
24
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Hình 1.1. Cấu trúc và kí hiệu của Diode
Hình 1.2. Phân cực thuận mặt ghép
Hình 1.3. Phân cực ngược mặt ghép
Hình 1.4. Hình dạng thực tế của một số Diode công suất
Hình 1.5. Đặc tính Vôn - Ampe của diode
Hình 1.6a. Cấu trúc của BJT
Hình 1.6b. Kí hiệu của BJT
Hình 1.7. Hình dạng thực tế của BJT
Hình 1.8. Nguyên lý làm việc của BJT
10 Hình 1.9 a. Cấu trúc MOSFET kênh n
11 Hình 1.9b. Ký hiệu MOSFET kênh n
12 Hình 1.10. Hình dạng thực tế của FET sẵn
13 Hình 1.11. Ký hiệu MOSFET kênh cảm ứng
14 Hình 1.12. Ký hiệu MOSFET kênh
15 Hình 1.13.Cấu trúc, mạch tương đương, kí hiệu của SCR
16 Hình 1.14. Hình dạng thực tế của SCR
17 Hình 1.15. Sơ đồ điều khiển
18 Hình 1.16. Đặc tính V-A
19 Hình 1.17. Kí hiệu, cấu trúc trong, cấu trúc tương đương của
Triac
20 Hình 1.18. Hình dạng thực tế của TRIAC
21 Hình 1.19. Nguyên lý làm việc của TRIAC
22 Hình 1.20. Đồ thị đặc tính V - A
23 Hình 1.21a. Cấu trúc bán dẫn và kí hiệu của GTO
24 Hình 1.21b. Cấu trúc thực tế của GTO
25 Hình 1.22. Hình dạng thực tế của GTO
26 Hình 1.23. Mạch điều khiển GTO
25
25
26
27
27
27
28
29
30
31
31
33
35
35
36
37
38
39
27 Hình 1.24. Cấu trúc IGBT
28 Hình 1.25. Mở và khóa IGBT
29 Hình 1.26. Cấu trúc bán dẫn của một IGBT tốc độ cao
30 Hình 1.27. Hình ảnh thực của IGBT
31 Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc chung mạch chỉnh lưu
32 Hình 2.2. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển
33 Hình 2.3. Đồ thị thời gian
34 Hình 2.4. Chỉnh lưu hình tia
35 Hình 2.5. Chỉnh lưu hình tia có hoàn năng lượng
36 Hình 2.6. Chỉnh lưu hình tia với tải R-E
37 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ
có điều khiển
38 Hình 2.8. Đồ thị điện áp
39
7
39 Hình 2.9. Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ không điều
khiển
40 Hình 2.10. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển
tải R+E
40
41
41 Hình 2.11. Chỉnh lưu hai pha nửa chu kỳ có điều khiển tải R
41 Hình 2.12. Chỉnh lưu cầu Diode 1 pha
43 Hình 2.13. Chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha Thyristor và đồ thị
thời gian
42
42
43
44 Hình 2.14. Chỉnh lưu diot tia 3 pha
44
45
45
46
47
48
50
51
52
52
53
53
54
55
56
56
58
58
60
61
45 Hình 2.15. Chỉnh lưu SCR tia 3 pha
46 Hình 2.16. Dạng điện áp trên tải với α >300, α<300
47 Hình 2.17. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha
48 Hình 2.18. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển
49 Hình 2.19. Dạng sóng chỉnh lưu 3 pha SCR
50 Hình 3.1. Sơ đồ nguồn DC-DC không cách ly kiểu BUCK
51 Hình 3.2. Dạng sóng bộ biến đổi không cách ly kiểu BUCK
52 Hình 3.3. Sơ đồ nguồn cách ly kiểu Flyback
53 Hình 3.4.Sơ đồ xung áp đơn giản dùng SCR
54 Hình 3.5. Sơ đồ xung áp DC dùng SCR
55 Hình 3.6. Sơ đồ bộ biến đổi xung áp một chiều nối tiếp
56 Hình 3.7. Sơ đồ xung điện áp DC và dạng sóng với tải điện cảm
57 Hình 3.8. Sơ đồ xung áp một chiều song song
58 Hình 3.9. Bộ biến đổi xung áp xoay chiều một
59 Hình 3.10. Dạng sóng BBĐ xung áp xoay chiều một pha.
60 Hình 3.11. Một số sơ đồ mắc 3 pha
61 Hình 3.12. Sơ đồ mắc 3 pha
Hình 3.13. Điện áp pha A (uZA) khi tải thuần trở với =30o
62
63
Hình 3.14. Điện áp pha A (uZA) khi tải thuần trở với =60o
64 Hình 4.1. Nghịch lưu cầu một pha
65 Hình 4.2. Nghịch lưu tia một pha
66 Hình 4.3. Nghịch lưu dòng ba pha
67 Hình 4.4. Dạng sóng điện áp ra
68 Hình 4.5. Sơ đồ nghịch lưu áp
69 Hình 4.6. Đồ thị nghịch lưu áp
70 Hình 4.7. Sơ đồ mạch công suất nghịch lưu áp ba pha
71 Hình 4.8. Sơ đồ mắc tải với bộ nghịch lưu áp ba pha
72 Hình 4.9. Đồ thị thời gian điện áp nghịch lưu áp ba pha
73 Hình 4.10. Giản đồ thời gian điện áp luật điều khiển các Thyristor
74 Hình 4.11.Sơ đồ nghịch lưu 12 VDC sang 300VAC
75 Hình 4.12. Sơ đồ nghịch lưu 12 VDC sang 240VAC dùng NE555
75 Hình 4.13. Sơ đồ nghịch lưu 12 VDC sang 240VAC dùng IC4047
64
64
66
66
67
67
68
69
69
70
71
71
72
8
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
Tên môn học: Điện tử công suất
Mã môn học: MH.6520228.14; MH.6520227.15; MH.6520226.10;
MH.6510305.14
Thời gian môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành: 00 giờ; Kiểm tra: 02
giờ)
Vị trí tính chất môn học, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Vị trí:
+ Điện tử công suất là môn cơ sở chung của các chuyên ngành điện;
+ Môn học có thể bố trí trước hoặc sau các môn học cơ sở khác và học trước
các môn học, mô đun chuyên môn.
- Tính chất: Môn học nghiên cứu các phần tử bán dẫn công suất, các bộ chỉnh
lưu, bộ nghịch lưu, bộ biến đổi xung áp.
- Ý nghĩa và vai trò của môn học: Đây là môn học cơ sở ngành, cung cấp cho
người học các kiến thức tổng quan về điện tử công suất.
Mục tiêu môn học:
Sau khi học xong môn học này, người học có khả năng:
- Kiến thức:
+ Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các phần tử
bán dẫn công suất;
+ Phân tích được nguyên lý hoạt động của các bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu, bộ
biến đổi xung áp.
- Kỹ năng:
+ Kiểm tra được hư hỏng một số linh kiện điện tử cơ bản;
+ Nhận biết được các bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu, bộ biến đổi xung áp trong
thực tế.
- Năng lực tự chủ và tránh nhiệm: Có ý thức rèn luyện, vận dụng kiến thức đã
học vào thực tế. Phát huy tính chủ động, tích cực tìm hiểu kiến thức mới về linh
kiện điện tử.
9
Nội dung môn học:
Môn học Điện tử công suất bao gồm 4 chương:
Chương 1: Các phần tử bán dẫn công suất
Chương 2: Chỉnh lưu
Chương 3: Các bộ biến đổi xung áp
Chương 4: Nghịch lưu
10
BÀI MỞ ĐẦU
Lịch sử của ngành công nghiệp được đánh dấu bằng sự kiện quan trọng của sự
ra đời của Thyratron (1902), do John Fleming, kỹ sư người Anh sáng chế, sự ra đời
của transistor (1948), do hai nhà vật lý người Mỹ là John Bardeen và W.H.
Brattain sáng chế, và đến năm 1956 nhóm kỹ sư của hãng Bell= Téléphone cho ra
đời sản phẩm thysistor đầu tiên. Từ đó đến nay ngành công nghiệp điện tử của thế
giới đã không ngừng phát triển, người ta đã chế tạo được những thiết bị bán dẫn
công suất lớn hơn như điốt, tiristor, triac, transistor chịu được điện áp cao và dòng
điện lớn và cả những thiết bị bán dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch đa chức năng,
vi xử lý là những phần tử thiết yếu trong mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công
suất nói trên.
Ngày nay không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta, các thiết bị
bán dẫn đã thâm nhập vào ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các
xí nghiệp như xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi ….. đang sử dụng ngày
càng nhiều thành quả của ngành công nghiệp điện tử, đó là những minh chứng cho
sự phát triển của ngành công nghiệp này.
Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hóa đất nước, ngày càng có thêm
nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật
và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Vì vậy, môn học điện tử công
suất là một môn học rất quan trọng đối với sinh viên chuyên ngành điện, cung cấp
những kiến thức nền tảng cơ bản về điện tử cho người học.
Nội dung giáo trình bao gồm 4 chương, trình bày các kiến thức về các phần tử
bán dẫn công suất: điốt, tranzitor, thysistor, triac, mosfet, GTO; các mạch chỉnh
lưu: chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ, một pha hai nửa chu kỳ, chỉnh lưu hình cầu
một pha, chỉnh lưu hình cầu ba pha, chỉnh lưu hình tia ba pha; các bộ biến đổi xung
áp một chiều, xung áp xoay chiều; các bộ nghịch lưu nguồn dòng và nghịch lưu
nguồn áp.
11
CHƯƠNG 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
MH.6520228.14.01; MH.6520227.15.01;
MH.6520226.10.01; MH.6510305.14.01
Giới thiệu:
Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng năng lượng này
sang dạng năng lượng khác trong đó các phần tử bán dẫn đóng vai trò trung tâm.
Điện tử công suất là một trong những phần rất quan trọng và không thể thiếu được
trong các nhà máy, xí nghiệp hiện đại hay trong dân dụng Vì vậy sự phát triển của
các phần tử bán dẫn quyết định đến sự phát triển của điện tử công suất. Nội dung
chương này trình bày các kiến thức liên quan đến cấu tạo, kí hiệu, nguyên lý hoạt
động và ứng dụng của các phần tử bán dẫn công suất: Điốt, Tranzitor BJT,
Thysistor, Triac, Mosfet, GTO, IGBT.
Mục tiêu:
- Nêu được cấu tạo và nguyên lý làm việc của phần tử bán dẫn công suất;
- Nhận biết được các phần tử bán dẫn công suất trong thực tế;
- Có ý thức rèn luyện và vận dụng kiến thức đã học vào trong thực tiễn.
Nội dung chính:
1. Diode
1.1. Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý hoạt động của Diode
a. Cấu tạo
Diode được hình thành từ 2 lớp bán dẫn P và N ghép lại với nhau, ở hai đầu
miếng bán dẫn người ta đưa ra hai dây dẫn nối với hai điện cực A (anode) và điện
cực K (athode) như hình 1.1.
b. Kí hiệu
Hình 1.1. Cấu trúc và kí hiệu của Diode
12
c. Nguyên lý hoạt động
* Phân cực thuận:
Khi mặt ghép p-n được đặt dưới điện áp có cực tính như hình vẽ 1.2, chiều
điện trường ngoài sẽ ngược với chiều điện trường nội tại Ei. Do vậy, vùng nghèo
điện tích bị thu hẹp lại. Nếu E > Ei vùng nghèo điện tích biến mất, các điện tích có
thể di chuyển tự do qua mặt ghép p-n.
Hình 1.2. Phân cực thuận mặt ghép
* Phân cực ngược:
Hình 1.3. Phân cực ngược mặt ghép
Khi điện trường ngoài cùng chiều với điện trường nội tại Ei (hình 1.3). Điện
trường tổng Et sẽ cùng chiều và lớn hơn Ei, do đó nó ngăn cản chiều chuyển động
của các điện tích đa số làm rộng thêm vùng chuyển tiếp, điện tử của vùng tiếp giáp
p-n tăng làm cho dòng điện không chạy qua.
Diode công suất do hai mặt ghép p-n ghép thành, điện tích mặt ghép tỉ lệ với
dòng điện cho phép qua Diode.
Trung bình mật độ dòng cỡ 10A/mm2.
Hình 1.4. Hình dạng thực tế của một số Diode công suất
Nhiệt độ mặt ghép cho phép: 2000C.
13
Để Diode làm việc và chịu dòng cao phải có biện pháp làm mát Diode.
- Làm mát tự nhiên.
- Dùng cánh tản nhiệt:
+ Làm mát bằng gió.
+ Làm mát bằng dầu.
1.2. Đặc tính Vôn – Ampe
Hình 1.5. Đặc tính Vôn - Ampe của diode
Đặc tính V-A gồm hai nhánh:
+ Nhánh thuận: Dưới điện áp UAK>0. Diode phân cực thuận. Đường đặc tính
có dạng hàm mũ.
+ Nhánh ngược: Dưới điện áp UAK<0. Diode phân cực ngược. Khi tăng
U
dòng điện cũng tăng.
Khi U > 0,1V. Dòng ngược không tăng.
Tới giá trị giới hạn. Khi U UBR . Dòng điện tăng đột biến phá huỷ Diode.
Giải thích:
Dòng điện ngược hình thành do sự di chuyển của các điện tích thiểu số làm
nên. Ở thời điểm đầu: Khi U I. Đến giới hạn Ut toàn bộ các điện tích thiểu số
có mặt trong Diode đều di chuyển để tạo dòng điện ngược nên dòng điện không
tăng (tăng rất chậm).
Khi U UBR các điện tích di chuyển trong điện trường và được tích luỹ năng
mv2
lượng W=
. Trong quá trình di chuyển chúng va chạm với các nguyên tử, vì
2
động năng lớn chũng bẻ gẫy các liên kết của các nguyên tử trong mạng tinh thể tại
vùng chuyển tiếp làm xuất hiện điện tử tự do mới. Các điện tích mới này chịu tác
14
động của điện trường sẽ được gia tốc và bắn phá các nguyên tử khác. Do vậy một
phản ứng dây chuyền xảy ra làm dòng ngược tăng nhanh. Dòng điện này sẽ gây
phá huỷ Diode.
Để bảo vệ Diode trong thực tế người ta cho Diode làm việc với điện áp
U=(0,7-0,8)UBR.
Biểu thức giải thích đặc tính V-A:
eu
i I eKT 1 I
eu 1
s
s
(1.1)
e
-19
e =1,59.10 C;
3,84
Với:
KT
K = 1,38.10-23
Is: Là dòng điện rò.
1.3. Các thông số cơ bản và ứng dụng của của Diode
a. Các thông số cơ bản của Diode
Giá trị trung bình của dòng điện cho phép qua, ID (IF): là dòng trung bình cho
phép chảy qua với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn không vượt quá
một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện trung bình qua phụ thuộc vào các
điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Công suất phát nhiệt sẽ bằng tích của
dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên nó. Vì vậy dòng trung bình là một tham số
quan trọng để chọn.
Dòng điện thuận cực đại không lặp lại, IFSM
Điện áp ngược lớn nhất mà bị đánh thủng, Ungmax (UBR): là giá trị điện áp lớn
nhất cho phép đặt lên. Khi sử dụng cần đảm bảo tại bất kỳ thời điểm nào điện áp
ngược trên không lớn hơn Ungmax. Trong thực tế phải đảm bảo một độ dự trữ nhất
định về điện áp, nghĩa là phải chọn có thông số Ungmax ít nhất bằng 1,2 đến 2 lần
giá trị biên độ điện áp lớn nhất đặt trên tính toán được trên sơ đồ.
Điện áp ngược cực đại lặp lại URRM
Điện áp ngược cực đại không lặp lại.URSM
Điện áp rơi trên khi phân cực thuận. UF
Nhiệt độ mặt ghép Tj
Điện tích phục hồi.
b. Ứng dụng của Diode
Diode được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các mạch điện tử và trong vi
mạch bán dẫn, cụ thể là:
15
Dùng làm phần tử chỉnh lưu trong các mạch nguồn một chiều.
Bảo vệ dòng điện ngược cho linh kiện.
Bảo vệ chống quá áp cho các van bán dẫn có điều khiển.
Ghim ngưỡng điện áp trong các mạch tín hiệu.
2. Transistor công suất (BJT- Bipolar Junction Transistor)
2.1. Cấu trúc, kí hiệu của BJT
a. Cấu trúc
Transistor dẫn điện bằng hai loại hạt dẫn là điện tử và lỗ trống nên còn được
gọi là Transistor lưỡng cực (hay lưỡng hạt), viết là BJT (Bipolar Juntion
Transistor) phân biệt với các loại transistor khác.
Transistor công suất là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p
hoặc n-p-n tạo lên từ 2 tiếp giáp p-n.Transistor có 3 cực như hình vẽ 1.6a
Hình 1.6a. Cấu trúc của BJT
Transistor loại n-p-n thường cho công suất lớn hơn loại p-n-p.
Transistor là từ ghép của hai từ Tranfer và Resistor có nghĩa là điện trở bán dẫn
và sự dẫn nạp.
Transistor được cấu trúc bởi ba lớp bán dẫn PNP hoặc NPN ghép với nhau
(hình 1.6a), mỗi lớp này lần lượt được nối ra 3 cực bên ngoài là Base, Emitter,
Collector.
Lớp giữa được gọi là cực gốc (Base) ký hiệu là B một lớp bên gọi là cực phát
(Emitter) ký hiệu là E. Lớp còn lại gọi là lớp góp (Collector) ký hiệu là C.
Nồng độ hạt dẫn từ Emitter-Base-Collector tăng dần đối với Transistor NPN
và giảm dần đối với Transistor PNP.
b. Kí hiệu
Kí hiệu của BJT được thể hiện trên hình 1.6b
16
Hình 1.6b. Kí hiệu của BJT
Một số hình dạnh thực tế của BJT:
Hình 1.7. Hình dạng thực tế của BJT
2.2. Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của BJT
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý làm việc được mô tả như hình vẽ 1.8
Hình 1.8. Nguyên lý làm việc của BJT
Trong sơ đồ trên ta có thể xem dòng điện gốc IB là dòng điều khiển, dòng điện
cực góp Ic là dòng động lực.
Transistor có hai miền tiếp giáp
17
Miền tiếp giáp giữa emitter và miền Bazo gọi là tiếp giáp emitor ký hiệu JE
collector và bazơ Jc.
Khi điện áp uBE>0 và uEC>0 lớp ghép JE được phân cực thuận tiếp giáp Jc
được phân cực ngược. Do đó các điện tử tự do dễ dàng chuyển dịch qua JE từ E
sang B đến mặt tiếp giáp Jc đến dãy điện tử gia tốc bởi điện trường ngược ECB và
dễ dàng đi qua Jc đến C. Dòng điện tử này tạo nên dòng điện cực góp Ic. Một số ít
điện tử tự do từ E sang B tái hợp với các lỗ trong vùng B để cân bằng điện tích, lớp
B phải lấy các lỗ mới từ nguồn EB bằng số điện tử tái hợp.
Như vậy ta gọi dòng điện tạo ra bởi các điện tử tự do đi từ E sang B là dòng
điện phát IE thì ta có: IE = IC + IB.
Trong đó IB<<Ic và tỷ số =IC/ IB được gọi là hệ số khuyếch đại dòng điện
tĩnh của transistor thường B có giá trị vài trục đến vài trăm sự chuyển dịch của các
hạt mang điện đa số trên đây còn tồn tại dòng chuyển dịch của các hạt thiểu số từ
lớp C qua B đến E.
Dòng chuyển dịch này tạo nên dòng điện ngược ICE0 từ đó ta có:
IC = IB + ICEO
b. Ứng dụng của BJT
Trong điện tử công suất, phổ biến nhất loại npn do nó có khả năng chịu dòng
lớn. Transistor công suất được dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ
tương đối lớn vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái mở.
Trong lĩnh vực điện tử Analog, Transistor được sử dụng làm phần tử khuếch
đại tín hiệu, bằng cách lấy năng lượng từ nguồn riêng để nâng mức năng lượng tín
hiệu đầu vào (nhỏ) thành mức năng lượng lớn hơn của tín hiệu đầu ra.
3. Transistor trường - MOSFET (MOSFET - Metal Oxide- Semiconductor
Field- Effect Transistor)
3.1. Cấu trúc và kí hiệu của Mosfet
Khác với Transistor lưỡng cực mà đặc điểm chủ yếu là dòng điện trong chúng
do cả hai loại hạt dẫn (điện tử và lỗ trống) tạo nên, Transistor trường (Field Effect
Transistor - FET), hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, độ dẫn điện của
đơn tinh thể bán dẫn được điều khiển nhờ tác dụng của một điện trường ngoài.
Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo nên.
18
Hình 1.9 a. Cấu trúc MOSFET kênh n b. Ký hiệu MOSFET kênh n
Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển
bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ. Hình 1.9a, b thể hiện cấu trúc và ký
hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó G là cực điều khiển được cách
ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ
cách điện cực lớn Dioxit Silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực nguồn (S) và cực
máng (D). Cực máng đón các hạt mang điện. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang
điện sẽ là các điện tử ( electron , do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương
so với cực nguồn. Trên ký hiệu, phần chấm gạch giữa D và S thể hiện trong điều
kiện chưa có tín hiệu điều khiển thì không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và
S.
Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp
bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là
loại có kênh dẫn kiểu n.
Hình 1.10. Hình dạng thực tế của FET
19
3.2. Nguyên lý hoạt động
Hình 1.11 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET.
Trong chế độ làm việc bình thường UDS>0. Giả sử điện áp đặt giữa cực điều khiển
và cực gốc bằng 0. UDS=0, khi đó kênh dẫn không suất hiện. Giữa cực gốc và cực
máng là tiếp giáp p-n- phân cực ngược. Điện áp UDS sẽ rơi trên vùng nghèo điện
tích của lớp tiếp giáp này.
Khi điện áp điều khiển âm, UGS<0, thì vùng bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ
tích tụ các lỗ. Do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể suất hiện,
khi điện áp điều khiển dương UGS>0 và đủ lớn bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ
tích tụ các điện tử và một kênh dẫn được hình thành. Như vậy, trong cấu trúc bán
dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, dòng điện giữa cực gốc
và cực máng sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS. Trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET
có thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n- tương đương
với một Diode ngược mắc song song với các van bán dẫn. Như vậy ưu điểm của
MOSFET là có sẵn một điện trường nội tại.
Hình 1.11.MOSFET kênh cảm ứng
Hình 1.12. MOSFET kênh sẵn
4. Thyristor (SCR - silicon controlled rectifier)
4.1. Cấu trúc, kí hiệu của Thyristor
Thyristor là phần tử bán dẫn cấu trúc từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành.
Mạch điện tương đương của SCR tương tự như một cặp BJT pnp và npn mắc với
nhau.
20
Tải về để xem bản đầy đủ
72 trang
26/03/2022
6780
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điện tử công suất - Nghề: Điện tàu thuỷ, điện công nghiệp, điện dân dụng, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_dien_tu_cong_suat_nghe_dien_tau_thuy_dien_cong_ng.pdf
