Tải bản đầy đủ

Mô phỏng mạch nghịch lưu một pha sử dụng Matlab simulink

LỜI MỞ ĐẦU
Điện tử công suất là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán
dẫn trong các bộ biến đổi để khống chế biến đổi nguồn năng lượng điện. Các bộ biến đổi
điện tử công suất thế hệ mới ngày càng thể hiện rõ các ưu việt nổi bật như: kích thước gọn
nhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao, giá thành hạ…
Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ biến đổi điện
áp DC/DC, DC/AC. Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong
lĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm năng lượng,…
Từ những yêu cầu thực thế đó, em xin chọn đề tài: “ Mô phỏng mạch nghịch lưu một
pha sử dụng Matlab simulink”.
Em xin chân thành cảm ơn Th.s Phan Văn Dư cùng các thầy cô giáo bộ môn đã hướng
dẫn em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nỗ lực hết sức, tuy
nhiên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và những nội dung trình bày trong báo cáo này
là những hiểu biết và những thành quả của em đạt được trong suốt quá trình nghiên cứu sự
chỉ bảo tận tình của các thầy.
Em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để nội dung đề tài này ngày
càng hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

SINH VIÊN THỰC HIỆN
Hoàng Văn Sỹ


CHƯƠNG 1:
1


CÁC PHẦN TỬ LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN
1.1 Đi ốt
1.1.1 Khái niệm
Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua
nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán
dẫn

Hình 1.1 . Hình ảnh đi ốt
1.1.2 Cấu tạo
- Khi ghép hai chất bán dẫn là P và N ta được một Diode.
- Tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn
N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung
hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.

Hình 1.2.Hình ảnh mô phỏng cấu tạo
1.1.3 Đặc tính Vôn-Ampe
- Phân cực thuận:
Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt
( vùng bán dẫn N ) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp
2


lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode
loại Ge ) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện. Nếu
tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa
hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V)

Hình 1.3 Mạch điện chứa điot

Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V.
Đường đặc tính của nó là đồ thị UI với u là trục tung và i là trục hoành. Giá trị điện áp
đạt đến 0.6V thì bão hòa

Hình 1.4 Điện áp của


điot

Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa
có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó
dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V.
- Phân cực ngược
Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-)
vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra
và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn
khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng.
3


Hình 1.5 Điot bị đánh thủng
Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V
1.1.4 Các tham số cơ bản
* UD ngược max
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode mà không làm hỏng diode
- UD ngược max = (0,4-0,6) Uct
* ID dòng điện thuận định mức của diode
* ΔUD giá trị điện áp cần để diode dẫn.
+ Điện áp nguồn: 0,7-1,4 (V)
+ Tăng theo về cấu trúc tinh thể bán dẫn
* Tần số : quá trình phát nhiệt phụ thuộc vào tần số đóng cắt của điot.
*  cp : nhiệt độ cho phép bán dẫn hoạt động bình thường ( < 1400 C)
*ΔP= UD.iD : công suất phát nóng cho phép
*UD = U0 + iD.Rđ
+ U0 : điện áp ngược
+ Rđ : điện trở động diode
*    mt  P.RT ( RT : nhiệt điện trở của diode)

1.1.4 Ứng dụng của đi ốt
Vì điốt có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode đến cathode khi phân cực
thuận nên điốt được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

4


Ngoài ra điốt có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối tắt), phân cực
nghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều
khiển mức điện áp. Điốt chỉnh lưu dòng điện, giúp chuyển dòng điện xoay chiều thành
dòng điện một chiều, điều đó có ý nghĩa rất lớn trong kĩ thuật điện tử. Vì vậy điốt được
ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử.
1.2 Thyristor
1.2.1 Cấu tạo
Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:
A : Anode : cực dương
K : Cathode : cực âm
G : Gate : cực khiển (cực cổng)
Thyristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT
loại PNP ghép lại như hình vẽ sau:

Hình 1.6 Cấu tạo Thyristor
1.2.2 Nguyên lý hoạt động
* Mở thyristor
Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có thể
tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn
nhất,Uth,max.Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và dòng
qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không
được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng tăng
được điện áp đến giá trị Uth,max. Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra
dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.

5


Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị
nhất định vào các cực điều khiển và cathode. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng
thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode-cathode nhỏ.
Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất định gọi là dòng duy trì (Idt)
thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung
dòng điều khiển, nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung dòng có độ
rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công
suất của mạch lực mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
* Trường hợp cực G để hở hay VG = OV
Khi cực G và V G = OV có nghĩa là transistor T 1 không có phân cực ở cực B nên
T1ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn. Như vậy trường hợp
này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là IA = 0 và VAK ≈ VCC.
Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến điện
thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống như diode và dòng điện IAtăng
nhanh. Lúc này Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng điện ứng với lúc điện áp
VAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì I H (Holding). Sau đó đặc tính của Thyristor giống
như một diode nắn điện.
Trường hợp đóng khóa K: VG = VDC – IGRG, lúc này Thyristor dễ chuyển sang trạng thai
dẫn điện. Lúc này transistor T 1 được phân cực ở cực B 1 nên dòng điện IG chính là IB1 làm
T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dòng điện IB2 nên lúc đó I2 dẫn điện, cho ra dòng điện IC2 lại
cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1. Nhờ đó mà Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn mà
không cần có dòng IG liên tục.
IC1 = IB2

; IC2 = IB1

Theo nguyên lý này dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần và hai
transistor chạy ở trạng thái bão hòa. Khi đó điện áp V AK giảm rất nhỏ (≈ 0,7V) và dòng
điện qua Thyristor là:

Thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp ngập càng nhỏ
tức Thyristor càng dễ dẫn điện.
* Trường hợp phân cực ngược Thyristor.
6


Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm, K vào cực dương của nguồn V CC.
Trường hợp này giống như diode bị phân cự ngược.Thyristor sẽ không dẫn điện mà chỉ có
dòng rỉ rất nhỏ đi qua. Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn thì Thyristor sẽ bị đánh thủng và
dòng điện qua theo chiều ngược. Điện áp ngược đủ để đánh thủng Thyristor là V BR. Thông
thường trị số VBR và VBO bằng nhau và ngược dấu.
1.2.3 Đặc tuyến

Hình 1.7: Đặc tuyến của Thyristor
IG = 0
IG2 > IG1 > IG
Đặc tính Volt-Ampere của một thyristor gồm hai phần. Phần thứ nhất nằm trong góc
phần tư thứ I của đồ thị Descartes, ứng với trường hợp điện áp Vak > 0, phần thứ hai nằm
trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp Vak<0
* Không có dòng điện vào cực điều khiển
Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0, hay khi hở mạch cực điều khiển,
thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode và
cathode. Khi điện áp Uak < 0 theo cấu tạo bán dẫn của thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều
phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽ giống như hai điốt
mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua,
gọi là dòng rò. Khi Uak tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng
thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược
của điốt quá trình đánh thủng là không thể đảo ngược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anode-cathode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu cũng chỉ có một
dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anode-cathode vẫn
7


có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi
Uak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương
mạch anode-cathode đột ngột giảm, dòng điện có thể chạy qua thyristor và giá trị sẽ chỉ bị
giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn một
mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc
tính thuận, giống như đường đặc tính thuận của điốt.
* Có dòng điện vào cực điều khiển (iG > 0)
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và cathode thì quá trình chuyển
điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giá
trị lớn nhất. Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ
xảy ra với Uak nhỏ hơn.
1.2.4 Các thông số kỹ thuật
Dòng điện thuận cực đại. Đây là trị số lớn nhất dòng điện qua mà Thyristor có thể chịu
đựng liên tục, quá trị số này Thyristor bị hư. Khi Thyristor đã dẫn điện V AKkhoảng 0,7V
nên dòng điện thuận qua có thể tính theo công thức

Điện áp ngược cực đại. Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt giữa A và K mà
Thyristor chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số này Thyristor sẽ bị phá hủy. Điện áp
ngược cực đại của Thyristor thường khoảng 100V đến 1000V.
Dòng điện kích cực tiểu.IGmin. Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường hợp điện áp
VAK thấp thì phải có dòng điện kích cho cực G của Thyristor. Dòng I Gmin là trị số dòng kích
nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng I Gmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc
công suất của Thyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớn thì I Gmin phải càng lớn. Thông
thường IGmin từ 1mA đến vài chục mA.
Thời gian mở Thyristor.Là thời gian cần thiết hay độ rộng của xung kích để Thyristor
có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mở khoảng vài micrô giây.
Thời gian tắt. Theo nguyên lý Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được
kích. Muốn Thyristor đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng thì phải cho I G =
0 và cho điện áp V AK = 0. để Thyristor có thể tắt được thì thời gian cho V AK = OV phải đủ
dài, nếu không VAK tăng lên cao lại ngay thì Thyristor sẽ dẫn điện trở lại. Thời gian tắt của
Thyristor khoảng vài chục micrô giây
8


Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs).
Thiristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận
(Uak>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng chạy qua. Khi
thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ.
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng không gian
nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như một tụ
diện có điện dung Cj2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có
giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi
chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số
cao. Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn với các thyristor tần số
cao dU/dt có thể lên tới 500 đến 2000 V/μs.
- Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs).
Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều
dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm, gần với cực điều khiển
nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng
điện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt
cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán
dẫn.
Tốc độ tăng dòng cho phép ở các thyristor tần số thấp vào khoảng 50÷100A/μs, với các
thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500÷2000A/μs. Trong các bộ biến đổi phải luôn có
các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc
nối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi không khí hoặc đơn giản hơn là
các xuyến ferit lồng lên nhau. Các xuyến ferit rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi
điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn. Xuyến ferit còn có tính chất của
cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ
tăng dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không. Vì vậy
cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn.
1.2.5 Ứng dụng của Thyristor.
Thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu điện áp và dòng điện lớn, và
thường được sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC (Alternating current), vì sự thay
đổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách tự động(được biết như là
quá trình Zero Cross-quá trình đóng cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp3 hình sin).
9


1.2.6. Mạch ứng dụng

Hình 1.8: Mạch ứng dụng
• Ban đầu công tắc K2 đóng, Thyristor mặc dù được phân cực thuận nhưng vẫn
không có dòng điện chạy qua, đèn không sáng.
• Khi công tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm đèn Q2 dẫn => kéo theo đèn
Q1 dẫn => dòng điện từ nguồn U2 đi qua Thyristor làm đèn sáng.
• Tiếp theo ta thấy công tắc K1 ngắt nhưng đèn vẫn sáng, vì khi Q1 dẫn, điện áp chân
B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , như
vậy hai đèn định thiên cho nhau và duy trì trang thái dẫn điện.
• Đèn sáng duy trì cho đến khi K2 ngắt => Thyristor không được cấp điện và ngưng
trang thái hoạt động.
1.3. Triac
TRIAC là phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở
thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2, do đó có thể dẫn dòng theo cả hai chiều
giữa T1 và T2. TRIAC có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song song
ngược.để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G của Triac.
1.3.1 Cấu tạo
Triac là một linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc như 2 Thyristor mắc song
song ngược chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều.

10


Hình 1.9: Cấu tạo Triac
Triac có bốn tổ hợp điện thế có thể mở cho dòng chảy qua:
B2 – G : + xung + , + xung - : Dòng điện chạy từ B2 sang B1
B2 – G : - xung - , - xung + : Dòng điện chạy từ B1 sang B2
1.3.2 Ký hiệu

Hình 1.10 Ký hiệu TRIAC
+ Chân G là chân kích mở cho Triac
+ Chân T1 (A1, B1, MT1..) là chân Anod 1.
+ Chân T2 (A2, B2, MT2..) là chân Anod 2.
Hai chân Anod 1 và Anod 2 dòng điện có thể chạy cả 2 chiều.
1.3.3 Đặc tuyến
Đặc tuyến Volt – Ampe gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc O, mỗi phần tương tự
đặc tuyến thuận của Thyristor.
Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ nhất
và thứ ba (hệ trục Descartes), mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor.
TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực
điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển).Tuy nhiên xung dòng điều khiển
11


âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn
hơn so với dòng điều khiển dương.Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng
điện qua TRIAC thì sử dụng dòng điện dương là tốt hơn cả.

Hình 1.11: Đặc tuyến của TRIAC
1.3.4. Ứng dụng

Hình 1.12: Mạch điều khiển dòng điện qua tải dùng triac
Triac kết hợp với quang trở Cds để tác động theo ánh sáng. Khi Cds được chiếu sáng
sẽ có trị số điện trở nhỏ làm điện thế nạp được trên tụ C thấp và diac không dẫn điện,
triac không được kích nên không có dòng qua tải. Khi Cds bị che tối sẽ có trị số điện trở
lớn làm điện thế trên tụ C tăng đến mức đủ để triac dẫn điện và triac được kích dẫn điện
cho dòng điện qua tải. Tải ở đây có thể là các loại đèn chiếu sáng lối đi hay chiếu sáng bảo
vệ, khi trời tối thì đèn tự động sáng.
+ Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC:

12


Hình 1.13. Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC
Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ. Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nên
Triac không hoạt động, đèn tắt. về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A,
thông Diac và kích Triac dẫn điện, bóng đèn sáng lên.
Chú ý khi sử dụng: Những dụng cụ điện tải thuần trở làm việc tốt với các giá trị trung
bình nhờ tác dụng san làm đồng đều. Nhưng các dụng cụ điện tải điện kháng sẽ bị ảnh
hưởng đáng kể, ví dụ động cơ sẽ bị phát nóng hơn mức bình thường, tiêu tốn năng lượng
cao hơn.
Kết luận: Triac có ưu điểm trong mọi vấn đề như gọn nhẹ, rẻ tiền … Dùng Triac làm
biến dạng sin là nhược điểm chính trong sử dụng.
1.3.5.Cách kiểm tra Triac
+ Chuẩn bị một đồng hồ VOM kim có dòng ở thang điện trở đủ lớn. Nếu dòng yếu ko
đủ kích cho chân G.
+ Đồng hồ VOM kim để ở thang đo điện trở có dòng phát ra là lớn nhất.
Đối với VOM kim thì que đen là nguồn dương và que đỏ là nguồn âm
+ Lần 1 : Đặt que nguồn âm vào A1 (B1, MT1...) và que nguồn dương vào A2 (B2,
MT2..) khi đo VOM không nhảy kim. Vẫn giữ nguyên que đo và kích điện áp cho chân G
từ que đỏ (nghiêng que đo hoặc bằng dụng cụ khác) khi đó trên màn hình VOM kim dịch
kim và bỏ kích cho chân G, VOM kim vẫn giữ nguyên => Triac còn tốt. Nếu bỏ kích chân
G mà VOM kim về vô cùng => Triac hỏng. Có trường hợp nếu ban đầu chỉ đưa vào hai
que đo vào A1, A2 kim đã dịch => Triac hỏng.
+ Lần 2 : Thao tác đổi que đo ngược lại như lần 1. Nếu giống nhau thì
13


Transitor tốt. Nếu có có sự khác thì Transitor hỏng
.Dùng VOM số cũng tương tự.
1.4. GTO(Gate turn off)
GTO là một linh kiện có 4 lớp bán dẫn PNPN như SCR. cấu tạo và ký hiệu được mô
tả như sau:

Hình 1.14. Cấu tạo và ký hiệu của GTO
Tuy có ký hiệu khác với SCR và SCS nhưng các tính chất thì tương tự. Sự khác biệt
cơ bản cũng là sự tiến bộ của GTO so với SCR hoặc SCS là có thể mở hoặc tắt GTO chỉ
bằng một cổng (mở GTO bằng cách đưa xung dương vào cực cổng và tắt GTO bằng cách
đưa xung âm vào cực cổng).
- So với SCR, GTO cần dòng điện kích lớn hơn (thường hàng trăm mA)
- Một tính chất quan trọng nữa của GTO là tính chuyển mạch. Thới gian mở của GTO
cũng giống như SCR (khoảng 1μs), nhưng thời gian tắt (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn
điện sang trạng thái ngưng dẫn) thì nhỏ hơn SCR rất nhiều (khoảng 1μs ở GTO và từ 5μs
đến 30μs ở SCR). Do đó GTO dùng như một linh kiệncó chuyển mạch nhanh. GTO thường
được dùng rất phổ biến trong các mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hoà điện thế…
mạch sau đây là một ứng dụng của GTO để tạo tín hiệu răng cưa kết hợp với Diod Zener.

14


Hình 1.15 Nguyên lí hoạt động GTO
Khi cấp điện, GTO dẫn, anod và catod xem như nối tắt. C 1 nạp điện đến điện thế
nguồn VAA, lúc đó VGK<0 làm GTO ngưng dẫn. Tụ C1 xả điện qua R3=VR+R2. Thời gian xả
điện tùy thuộc vào thời hằng τ=R3C1. Khi Volập lại.
1.5. Mosfet
1.5.1 Giới thiệu về Mosfet

Hình 1.16: Transistor hiệu ứng trừơng Mosfet
Mosfet, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong tiếng
Anh, có nghĩa là "transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", là một thuật ngữ chỉ
các transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong cácmạch số và các mạch
tương tự.
Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại và bán
dẫn (ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic)
MOSFET có hai loại:
+ N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn
tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.
+ P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ
Gate
15


1.5.2 Cấu tạo và kí hiệu

Hình 1.17: Cấu tạo và kí hiệu
G: Gate gọi là cực cổng
S: Source gọi là cực nguồn
D: Drain gọi là cực máng
Trong đó : G là cực điều khiển được cách lý 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 gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện.
Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn
điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S
( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu
ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng
nhỏ.
1.5.3.Nguyên lý hoạt động
Xét loại kênh dẫn n.
- Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi 2 nguồn điện áp: UDS > 0 và UGS < 0.
- Giữa cực D và cực S có một điện trường mạnh do nguồn điện cực máng UDS cung
cấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn S tới cực
máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID
- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, do đó bề
rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần. Khi đó tiết diện dẫn điện giảm dần, điện
trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống
và ngược lại.

16


Như vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực máng
ID.
- Trường hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá trị
phụ thuộc vào UDS.
- UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì với
cách mắc như hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ phân cực
ngược tăng dần từ S tới D  tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng ID giảm dần.
* Thí nghiệm về nguyên lý hoạt động của Mosfet
Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực D và S của Mosfet Q (Phân
cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa là không có dòng điện đi
qua cực DS khi chân G không được cấp điện.Khi công tắc K đóng, nguồn UG cấp vào hai
cực GS làm điện áp UGS > 0V => Đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng.
Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên. Q1 khóa ==>Bóng đèn tắt.
Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GS như
trong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm cho điện trở
RDS giảm xuống.
* Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của Mosfet
Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds. Tuy
nhiên các thông số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss. Nhưng dưới
điều kiện nhất đinh như là điện áp Ugs và Uds. Ta có thể tính được giá trị các tụ đó.
1.5.4. Xác định chân, kiểm tra-Mosfet
Thông thường thì chân của Mosfet có quy định chung không như Transitor. Chân của
Mosfet được quy định: chân G ở bên trái, chân S ở bên phải còn chân D ở giữa.
* Kiểm tra Mosfet
Mosfet có thể được kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng . Do có cấu tạo hơi khác so với
Transitor nên cách kiểm tra Mosfet cũng không giống với Transitor.
- Mosfet còn tốt.
Là khi đo trở kháng giữa G với S và giữa G với D có điện trở bằng vô cùng ( kim
không lên cả hai chiều đo) và khi G đã được thoát điện thì trở kháng giữa D và S phải là vô
cùng.
Bước 1 : Chuẩn bị để thang x1KW
17


Bước 2 : Nạp cho G một điện tích ( để que đen vào G que đỏ vào S hoặc D)
Bước 3 : Sau khi nạp cho G một điện tích ta đo giữa D và S ( que đen vào D que đỏ
vào S )
=>kim sẽ lên.
Bước 4 : Chập G vào D hoặc G vào S để thoát điện chân G.
Bước 5 : Sau khi đã thoát điện chân G đo lại DS như bước 3 kim không lên.
=> Kết quả như vậy là Mosfet tốt.
- Mosfet chết hay chập
Bước 1 : Để đồng hồ thang x 1KW
. Đo giữa G và S hoặc giữa G và D nếu kim lên = 0 W là chập.
- Đo giữa D và S mà cả hai chiều đo kim lên = 0 W là chập D S.
- Đo kiểm tra Mosfet trong mạch
Khi kiểm tra Mosfet trong mạch , ta chỉ cần để thang x1W và đo giữa D và S. Nếu 1
chiều kim lên đảo chiều đo kim không lên => là Mosfet bình thường, Nếu cả hai chiều kim
lên = 0 W là Mosfet bị chập DS
1.5.5.Ứng dung của Mosfet trong thực tế.
Mosfet trong nguồn xung của Monitor

Hình 1.17: Mosfet trong nguồn xung
Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, người ta thường dùng cặp linh
kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung vuông được
đưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn Mosfet dẫn, khi
xung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽ điều khiển cho Mosfet
liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra
từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp => cho ta điện áp ra.
1.6. IGBT
18


1.6.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải
lớn của tranzito thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển điện áp, do đó công
suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.
Cấu trúc bán dẫn của IGBT:

Hình 1.17: Cấu trúc bán dẫn IGBT
Cấu trúc tương đương của IGBT với 1 transitor N-P-N với 1 Mosfet:
Sơ đồ tương đương, ký hiệu của IGBT:

Hình 1.18: Kí hiệu IGBT
Về cấu trúc bán dẫn thì IGBT rất giống với Mosfet điểm khác là có thêm lớp P nối với
colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-P giữa emito với colecto. Có thể coi IGBT tương
đương với một tranzito P-N-P với dòng bazo được điều khiển bởi một Mosfet.
1.6.2 Đặc tính đóng cắt của IGBT
Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp
hơn hẳn so với Mosfet. Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBT
chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tương
đương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai
thành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor. Phần Mosfet trong IGBT có thể
khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiên i2
19


sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy trong (tương đươngvới bazo
của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này xuất hiện
vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT.
- Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT:

Hình 1.19: Đặc tính đóng cắt IGBT
a. Quá trình mở của IGBT
Quá trình mở IGBT diễn ra giống với quá trình này ở Mosfet khi điện áp điều khiển vào
tăng tử 0 đến giá trị Ug. Trong thời gian trễ khi mở Io tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ
Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emite tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trị
ngưỡn Uge( 3 đến 5v). Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở
ra. Dòng điện giữa colecto-emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải Io trong
thời gian Tr.Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến giá trị Uge
xác định giá trị dòng Io qua colecto. Do diode Do còn đang dẫn dòng tải Io nên điện áp
Uce vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2
giai đoạn T1 và T2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển giữ nguyên
Uge để duy trì dòng Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc. IGBT vẫn làm
việc trong chế đô tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hổi của
diode Do dòng phục hồi của diode Do tạo nên xung dòng trên mức dọng Io của IGBT.
Sau thời gian mở Ton khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và
emito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CgcRg đến giá trị cuối
cùng Ug.
b. Quá trình khóa của IGBT
Dạng điện áp,dòng điện của quá trình khóa thể hiện trên dưới đây. Quá trình khóa bắt
đầu khi diện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG. Trong thời gian trễ khi khóa td(off) chỉ
có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian bằng
20


CgeRG, tới mức điện áp Miller. Bắt dầu từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và
Emitter bị giữ không đổi do điện áp Ucc bắt đầu tăng lên và do đó tụ Cgc bắt đầu được nạp
điện. Dòng điều khiển bây giờ sẽ hoàn toàn là dòng nạp cho tụ Cgc nên điện áp UGE được
giữ không đổi. Điện áp Ucc tăng từ giá trị bão hòa Ucc.on tới giá trị điện áp nguồn Udc
sau khoảng thời gian trV. Từ cuối khoảng trV diode D0 bắt đầu mở ra cho dòng tải I0 ngắn
mạch qua, do đó dòng Collector bắt đầu giảm. Quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn,
tfi1 và tfi2. Trong giai đoạn đầu,thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn
IGBT suy giảm nhanh chóng về không. Điện áp UGC ra khỏi mức Miller và giảm về mức
điện áp điều khiến ở đầu vào -UG với hằng số thời gian:
Thời gian khóa của IGBT có thể rút ngắn nếu thêm vào một lớp đệm n+ như trong cấu
trúc Punch Through IGBT như hình minh họa.Cấu trúc này có 1 Thyristor ký sinh tạo từ ba
tiếp giáp bán dẫn p-n,J1.J2,J3.Trong cấu trúc này , mật độ các điện tích dương,các lỗ , suy
giảm mạnh theo hướng từ các lớp p+ đến n- đến n+,điều này giúp quá trình tự trung hòa
các điện tích dương trong lớp n- xảy ra nhanh hơn.Công nghệ này tạo ra các IGBT cực
nhanh với thời gian nhỏ hơn 2 x 10^-6(s)
1.6.3 Vùng làm việc an toàn
Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giá trị
dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa,
cũng như trong các quá trình đóng cắt. SOA của IGBT được biểu diễn ở hình dưới.
Ở hình đầu tiên biểu diễn khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitor là dương và hình
thư hai thì điện áp này là âm. Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật
với góc hạn chế ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn. Điều
này có nghĩa là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì khả
năng đóng cắt công suất càng suy giảm

21


Hình 1.20: Vùng làm việc an toàn IGBT
IGBT là thiết bị điều khiển bằng điện áp giống như Mosfet nên yêu cầu điện áp có mặt
liên tục trên cực điều khiển và emito để xác định chế độ khóa, mở. Tín hiệu mở có biên độ
Uge, tín hiệu khóa có biên độ -Uge cung cấp cho mạch GE qua điện trở Rg. Mạch G-E
được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức khoảng +-18V. Do có tụ kí sinh giữa G và E nên kỹ
thuật điều khiển như điều khiển Mosfet có thể được áp dụng tuy nhiên điện áp khóa phải
lớn hơn. Nói chung tín hiệu điều khiển thường được chọn là +15 và -5V là phù hợp. Mức
điện áp âm khi khóa góp phần giảm tổn thất công suất trên mạch điều khiển
Điện trở Rg cũng làm tổn hao công suất điều khiển được mô tả ở hình dưới. Điện trở
Rg nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm tổn thất năng lượng trong quá
trình điều khiển nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện áp ký sinh trong
mạch điều khiển.
1.6.4.Bảo vệ IGBT
IGBT thường được sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp
một chiều, trong biến tần, mạch đóng cắt tần số cao từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số đóng
cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn
bộ thiết bị. Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các
phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp.
Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên quá
tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng
đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt. Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một
thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên
collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử
1.6.5.Ứng dụng
Công nghệ IGBT được áp dụng trong nhiều lĩnh vực thuộc ngành điện công nghiệp, cụ
thể công nghệ IGBT được sử dụng trong các máy hàn công nghiệp, các thiết bị điện công
nghiệp, các mạng điện công nghiệp, bộ biến tần…
- Sử dụng trong bộ biến đổi DC-DC ,AC-AC,Biến tần
Cụ thể : Trong bộ biến tần, bộ chuyển đổi DC / DC cung cấp cho một hoặc nhiều trình
điều khiển IGBT sau đó cấp nguồn cho đầu ra của họ tới IGBT đang được điều khiển ở chế
độ xung. Các IGBT và các trình điều khiển hoạt động ở chế độ xung được điều khiển ở các
tần số có thể vượt quá 10 KHz. Thao tác này được mô tả sơ đồ trong biểu đồ khối trong
22


Hình 1. Bộ chuyển đổi DC-DC cung cấp cách ly điện giữa đầu vào và đầu ra của nó và
điện áp cách ly là một chức năng của thiết kế biến thế biến đổi DC / DC.
1.7 BJT
1.7.1.Cấu tạo
+Transistor gồm 3 lớp bán dẫn loại P và loại N ghép lại với nhau. Do đó có 2 loại
transistor là NPN và PNP tương ứng với 2 cách sắp xếp 3 lớp bán dẫn trên.
+ Xét trên phương diện cấu tạo, transistor tương đương với 2 diode

Hình 1.21: Cấu tạo BJT

Hình 1.22: Ký hiệu trong mạch điện
1.7.2 Nguyên lý hoạt động
*Một số quy ước về kí hiệu:
IB: (cường độ) dòng điện qua cực Base của transistor.
IC: (cường độ) dòng điện qua cực Collector của transistor.
IE: (cường độ) dòng điện qua cực Emitter của transistor.
23


IR: (cường độ) dòng điện qua điện trở R.
VBE: (độ lớn) hiệu điện thế giữa 2 cực Base và Emitter của transistor. Các thông số
tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự.
UB: điện áp ở cực Base. Các thông số tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự.

Hình 1.23: Sơ đồ hoạt động
+ : Quá trình mở: Để cho transitor mở được thì bắt đầu từ giá trị -Ub2 đến Ub1
+ Quá trình đóng : Để cho transitor đóng thì bắt đầu từ giá trị từ Ub1 đến -Ub2
* Sơ đồ mắc Darlington
Nói chũng các BJT có hệ số khuyếch đại tương đối thấp mà yêu cầu dòng điều khiển lớn
nên sơ đồ mắc Darlington là một yêu cầu đặt ra với các ghép 2 transitor Q1 và Q2 có hệ số
khuyếch đại là β1 β2 Khi mắc thành Darling ton thì hệ số khuyếch đại tổng là[separator]
β = β1 + β2 + β1β2. Khuyếch đại lên ta có thể mắc từ 3 transotor
Sơ đồ mắc Darlington:

24


Hình 1.24: Sơ đồ mắc Darlington
1.7.3.Nguyên lý hoạt động của PNP

Hình 1.25: Sơ đồ hoạt động của PNP
Cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn
vào cực C và (-) nguồn vào cực E
Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong
đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E. Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực
C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng
IC = 0 )
Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+)
nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB,
làm bóng đèn phát sáng.
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×