 Loading Preview Sorry, preview is currently unavailable. You can download the paper by clicking the button above.
MOSFET là các thành phần điện nhỏ, cùng với các thành phần khác, tạo nên VRM. VRM, hay còn gọi là Module điều chỉnh điện áp, như tên gọi của nó, là phần điều chỉnh điện áp cho các thành phần quan trọng nhất, chẳng hạn như CPU và GPU. Tóm lại, MOSFET bật và tắt rất nhanh, truyền dòng điện cao qua các xung ngắn. Bằng cách kết hợp các xung này trong các pha VRM nhiều hơn, dòng điện cho CPU/GPU sẽ trơn tru và ổn định hơn. Chúng ta cũng đã nói về hiệu quả MOSFET trước đó. Dòng điện càng cao, MOSFET càng nóng. Nếu nó bị nóng, nó ảnh hưởng đến điện trở của chất bán dẫn, hiệu suất giảm xuống và từ đó, một vòng lặp không bao giờ kết thúc sẽ chỉ tạo ra nhiều nhiệt hơn. Thiết kế của VRM có thể khác nhau, nhưng tất cả chúng đều có cùng chức năng, vì vậy chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi không cần thiết phải đi sâu và bắt đầu giải thích một số kỹ thuật điện tiên tiến. Điều quan trọng mà bạn cần biết, đó là việc chuyển đổi điện áp bắt đầu từ MOSFET và nó đang xử lý khối lượng công việc lớn nhất. Việc làm mát bên trên các bộ phận này thường sẽ sử dụng những khối nhôm lớn và giải nhiệt bằng khí, nhưng việc làm mát bằng nước hiệu quả hơn. Làm mát không khí cổ điển thường cố gắng làm mát các thành phần chính, nhưng chủ yếu nó chỉ tuần hoàn không khí nóng bên trong vỏ máy tính. Mặt khác, làm mát bằng chất lỏng, truyền nhiệt đi và giải nhiệt qua bộ tản nhiệt. Xem thêm: Mạch VRM là gì? Số Phase, Bộ nhân đôi điện áp và cách thức hoạt động?
1 CHƢƠNG 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 1.1 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khoá điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua. Các van bán dẫn có thể đóng cắt được dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng chịu điện áp và các đặc tính liên quan tới quá trình đóng cắt cũng như vấn đề điều khiển chúng. Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung, đó là: - Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn. Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc sẽ có giá trị rất nhỏ. - Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều (trừ triac) khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò. Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành: - Van không điều khiển, như điôt. - Van điều khiển không hoàn toàn (bán điều khiển), như thyristor, triac. - Van điều khiển hoàn toàn (bán điều khiển), như bipolar transistor, MOSFET, IGBT, GTO. 1.2 ĐIÔT Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Điôt có hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n. Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK dương. Khi UAK âm, dòng qua điôt gần như bằng không. Cấu tạo và ký hiệu của điôt biểu diễn trên hình 1.1. AnôtCatôtpnAKD)a )b Hình 1.1. Điôt: a) Cấu tạo; b) Ký hiệu 1.2.1 Cấu tạo của điôt Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một điôt. Ở nhiệt độ môi trường, các điện tử tự do trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán sang lớp bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi các ion dương ở đây. Do các điện tích trong vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau nên vùng này trở nên nghèo điện tích, hay là vùng có điện trở lớn. Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển 2 đến sẽ nhập vào lớp các điện tử hoá trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm. Các ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được. Kết quả tạo thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở phía lớp n. Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang vùng p. Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt độ 250C (hình 1.2). Các điôt công suất được chế tạo chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định. Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo giống như lớp n, nhưng ít điện tử tự do hơn. Khi lớp tiếp giáp p-n- được đặt dưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng n- điện trở tương đương của điôt càng lớn và dòng điện không thể chạy qua. Toàn bộ điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích. Ta nói rằng điôt bị phân cực ngược (hình 1.3a). Ep njUVùng nghèo điện tích Hình1.2. Sự tạo thành điện thế rào cản trong tiếp giáp p-n p nu+-Eu+-p n-n-nVùng nghèo điện tíchVùng trở lên không có độ dẫn vì các điện tích không cơ bản thâm nhập)a)b-+ Hình 1.3. Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận Khi điện áp bên ngoài tạo ra điện trường ngoài có hướng ngược với điện trường trong E, vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài đủ lớn hơn Uj, cỡ 0,65V, vùng nghèo điện tích sẽ thu hẹp bằng không và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc tinh thể của điôt. Dòng điện chạy qua điôt lúc này sẽ chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài và một phần điện trở trong điôt bao gồm điện trở của tinh thể bán dẫn giữa anôt và catôt, điện trở do phần kim loại làm dây dẫn ra ngoài và điện trở do tiếp xúc giữa phần kim loại và bán dẫn. Ta nói điôt được phân cực thuận (hình 1.3b). 1.2.2 Đặc tính vôn-ampe của điôt Một số tính chất của điôt trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của điôt trên hình 1.4a. Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với UAK < 0. Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dòng có thể chảy qua điôt. Dòng điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên điôt UAK hầu như ít thay đổi. Như vậy đặc tính thuận của điôt đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ. 3 Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị Ung.max (điện áp ngược lớn nhất) thì dòng điện qua điôt vẫn có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt cản trở dòng điện theo chiều ngược. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của điôt bị phá vỡ. Quá trình này không có tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôt-catôt thì dòng điện vẫn không giảm. Ta nói điôt đã bị đánh thủng. Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính toán, người ta thường dùng đặc tính khi dẫn dòng, tuyến tính hoá điôt như được biểu diễn trên hình 1.4b. Đặc tính này có thể biểu diễn qua công thức: DD0.DDI.rUu trong đó DDIUr là điện trở tương đương của điôt khi dẫn dòng. Đặc tính vôn-ampe của các điôt thực tế sẽ khác nhau, phụ thuộc vào dòng điện cho phép chạy qua điôt và điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được. Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng, điôt có thể cho một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, điôt có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng . Dòng ròmax.ngU0 uAmA0.DU0 u0.DUDi0 u0.DUDia) b)c)Di Hình 1.4. Đặc tính vôn-ampe của điôt: a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng 1.2.3 Đặc tính đóng cắt của điôt Khác với đặc tính vôn-ampe là đặc tính tĩnh, đặc tính u(t), i(t) là đặc tính cho thấy điện áp và dòng điện đi qua điôt theo thời gian, gọi là động hay còn gọi là đặc tính đóng – cắt. Hình 1.5 là đặc tính đóng – cắt tiêu biểu của một điôt. Trong khoảng (1), (6) điôt ở trạng thái khóa, với điện áp phân cực ngược và dòng bằng 0. Ở đầu khoảng (2) điôt bắt đầu dẫn dòng. Dòng điện ban đầu nạp điện tích cho tụ điện tương đương cảu tiếp giáp p-n phân cực ngược làm điện áp u(t) trên điôt tăng đến vài vôn. Khi u(t) trở lên dương, tiếp giáp p-n được phân cực thuận. Khi lượng điện tích đã đủ lớn độ dẫn điện của tiếp giáp tăng lên, điện trở giảm, điện áp trên điôt trở nên ổn định ở mức sụt áp UD0, cỡ 1÷1,5V. Trong khoảng (3) điôt ở trạng thái dẫn. 4 Quá trình khóa điôt bắt đầu ở khoảng (4). Điôt vẫn còn được phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong lớp tiếp giáp p-n được di tản hết ra ngoài.Thời gian di tản phụ thuộc tốc độ tăng của dòng điện ngược d(i)/dt và lượng điện tích tích lũy trước đó. Ở cuối giai đoạn (4) tiếp giáp p-n trở nên phân cực ngược và điôt có thể phục hồi tính chất khóa ở cuối giai đoạn (5). Diện tích được gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng lượng điện tích phải di tản ra ngoài Qr (Qr gọi là lượng điện tích phản hồi). Thời gian tr giữa đầu giai đoạn (4) đến cuối giai đoạn (5) gọi là thời gian phục hồi tính chất khóa của van. i(t)u(t)(1) (2) (3) (4) (5) (6)0.DUDIrtrQdt/di00tt Hình 1.5. Dạng điện áp và dòng điện trên điôt trong quá trình đóng cắt; 1.2.4 Các thông số cơ bản của điôt 1. Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua điôt theo chiều thuận, ID Trong quá trình làm việc, dòng điện chạy qua điôt sẽ phát nhiệt làm nóng tinh thể bán dẫn của điôt. Công suất phát nhiệt bằng tích của dòng điện chạy qua điôt với điện áp rơi trên nó. Điôt chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anôt đến catôt, điều này nghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ với giá trị trung bình của dòng điện. Vì vậy dòng điện ID là thông số quan trọng để lựa chọn điôt cho một ứng dụng thực tế. 2. Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chiụ được, Ung.max Thông số thứ hai quan trọng để lựa chọn điôt là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu đựng được. Như đặc tính vôn-ampe đã chỉ ra, quá trình điôt bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, vì vậy trong mọi ứng dụng phải luôn đảm bảo rằng UAK < Ung.max. 3. Tần số Quá trình phát nhiệt trên điôt cũng phụ thuộc vào tần số đóng cắt của điôt. Trong quá trình điôt mở ra hoặc khoá lại, tổn hao công suất tức thời u(t), i(t) có giá trị lớn hơn lúc điôt dẫn dòng hoặc đang bị khoá. Vì vậy nếu tần số đóng cắt cao hoặc thời gian đóng cắt của điôt so sánh được với khoảng thời gian dẫn dòng thì tổn thất trên điôt bị quy định chủ yếu bởi tần số làm việc mà không phải giá trị trung bình của dòng điện. Các điôt được chế tạo với tần số làm việc khác nhau, do đó tần số là một thông số quan trọng phải lưu ý khi lựa chọn điôt. 5 4. Thời gian phục hồi tr và điện tích phục hồi Qr Các điôt khi khoá lại có dòng ngược để di chuyển lượng điện tích Qr ra khỏi cấu trúc bán dẫn, phục hồi khả năng khoá của mình. Thời gian phục hồi tr có thể bị kéo dài, làm chậm lại quá trình chuyển mạch giữa các van. Dòng điện ngược có thể tăng xung dòng trên các van mới mở ra với biên độ có thể rất lớn. Hơn nữa thời gian phục hồi cũng làm tăng tổn thất trong quá trình đóng cắt các van. Những lý do như trên khiến ta phải đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng của tr trong những trường hợp cụ thể. Để giảm thời gian chuyển mạch có thể phải sử dụng loại điôt có tr rất ngắn, cỡ s. Tuy nhiên khi đó dòng điện ngược thay đổi quá nhanh, có thể gây nên điện áp rất lớn trên những mạch điện có điện cảm. Tóm lại không nên nghĩ rằng điôt là một phần tử rất đơn giản mà bỏ qua quá trình khoá lại của điôt. 1.3 THYRISTOR Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3. Thyristor có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình 1.6. AKGT1J2J3J1Q2Qpp+nKAG Ka)b)n n Hình 1.6. Thyristor: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu 1.3.1 Đặc tính vôn-ampe của thyristor Đặc tính vôn-ampe của thyristor gồm hai phần (hình 1.7). Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0. 1. Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0) Khi dòng 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 anôt-catôt. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của thyristor, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua thyristor chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max 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 điôt, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ung.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyristor đã bị hỏng. Khi tăng điện áp anôt-catôt 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 anôt-catôt vẫn 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, Uth.max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anôt-catôt độ ngột giảm, dòng điện chạy qua thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. 6 Nếu khi đó dòng qua thyristor lớn hơn mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính dẫn dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện. i AmAuDòng rò0max.ngUth.vUmax.thUVidti1GI2GI3GI Hình 1.7. Đặc tính vôn-ampe của thyristor 2. Trường hợp có dòng vào cực điều khiển (IG > 0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Điều này được mô tả trên hình 1.6 bằng những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau IG1, IG2, IG3,… Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn. Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0. 1.3.2 Mở, khoá thyristor Thyristor có đặc tính giống điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anôt đến catôt, và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên khác với điôt, để thyristor có thể dẫn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác. Do đó thyristor được gọi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được. 1. Mở thyristor Khi được phân cực thuận, UAK > 0, thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có thể tăng điện áp anôt-catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, điện trở tương đương trong mạch anôt-catôt 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 có thể tăng được điện áp đến giá trị Ung.max. Và lại như vậy sẽ 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. Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catôt. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anôt-catôt nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anôt-catôt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển. Điều này có nghĩa là có thể 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 phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện. 7 2. Khoá thyristor Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá (điện trở tương đương mạch anôt-catôt tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống nhỏ hơn dòng duy trì, Idt. Tuy nhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt lại dương (UAK > 0), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình. Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3, phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chạy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để khoá thyristor lại cần giảm dòng anôt-catôt về dưới mức dòng duy trì (Idt) bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anôt và catôt của thyristor. Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anôt-catôt (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, tr, chỉ sau đó thyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều. Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa catôt và anôt. Dòng điện ngược này di chuyển các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1, J3 được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di chuyển ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó. Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của thyristor. Thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của thyristor. Thời gian phục hồi tr, có giá trị cỡ 5 – 50 s đối với các thyristor tần số cao và cỡ 50 – 200 s đối với các thyristor tần số thấp. 1.3.3 Các thông số cơ bản của thyristor 1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, Itbv (A) Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra, thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau: - Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến một phần ba dòng Itbv. - Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng hai phần ba dòng Itbv. - Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100 dòng Itbv. 2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung.max (V) Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anôt-catôt UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó. 3. Thời gian phục hồi tính chất khoá của thyristor, tr (s) Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anôt-catôt của thyristor sau khi dòng anôt-catôt đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà thyristor vẫn khoá. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của thyristor, nhất là trong các 8 bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc là nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khoá phải bằng 1,5 đến 2 lần tr. 4. Tốc độ tăng điện áp cho phép, )s/V(dtdU Thyristor được sử dụng như một phần tử điều khiển, nghĩa là mặc dù được phân cực thuận (UAK>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua. Khi thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như được chỉ ra trên hình 1.8. 1J2J3Jpp+nKAG K-nnn Hình 1.8. Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở 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 điện 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 các thyristor tần số cao. Ở thyristor tần số thấp dtdU vào khoảng 50 đến 200 sV ; với các thyristor tần số cao dtdU có thể đạt 500 đến 2000 sV . 5. Tốc độ tăng dòng cho phép, )s/A(dtdI 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 số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt thyristor tần số thấp, có dtdIcỡ 50-100 /s, với các thyristor có tần số cao với dtdIcỡ 500-2000 /s. Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng trị số nhỏ. Cuộn kháng có thể có lõi không khí hoặc lõi ferit. Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo các điện kháng giá trị khác nhau tuỳ theo số lượng xuyến sử dụng. Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng; khi dòng điện lớn. cuộn kháng bị bão hoà, điện cảm 9 giảm gần như bằng không. Như vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn. 1.4 TRIAC Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2 như được thể hiện trên hình 1.9a. Triac có ký hiện trên sơ đồ như hình 1.9b, có thể dẫn dòng theo cả hai chiều T1 và T2. Về nguyên tắc, triac hoàn toàn có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song ngược như trên hình 1.9c. )c2T1TG)b2T1TGppnnnn)a Hình 1.9. Triac: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu; c) Sơ đồ tương đương với hai thyristor song song ngược Đặc tính vôn-ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor như được biểu diễn trên hình 1.10a. 2T1TGR-+)bidtIvI1GI2GI3GIumax.thuth.vu0)a Hình 1.10. a) Đặc tính vôn-ampe; b) Điều khiển triac bằng dòng điều khiển âm Triac có thể điều khiển mở dẫn dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng âm có độ nhạy kém hơn, tức là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2 phải lớn hơn một giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac, sử dụng xung điều khiển âm là tốt hơn cả. Nguyên lý thực hiện điều khiển bằng xung dòng điều khiển âm được biểu diễn trên hình 1.10b. 10 Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các côngtắctơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ. 1.5 THYRISTOR KHOÁ ĐƢỢC BẰNG CỰC ĐIỀU KHIỂN, GTO (GATE TURN-OFF THYISTOR) Thyristor thường, như được giới thiệu ở mục 1.3, được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu, từ công suất nhỏ vài kW đến công suất cực lớn, vài trăm MW. Đó là vì trong các sơ đồ chỉnh lưu, thyristor có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới, điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh bằng cách chủ động thay đổi thời điểm mở của các thyristor. Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, trong đó các van bán dẫn luôn bị đặt dưới điện áp một chiều thì điều kiện để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa. Khi đó việc dùng các thyristor thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi. Các GTO, như tên gọi của nó, nghĩa là khoá lại được bằng cực điều khiển, có khả năng về đóng cắt các dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như thyristor, là một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khoá dưới tác động của tín hiệu điều khiển. Việc ứng dụng các GTO đã phát huy ưu điểm cơ bản của các phần tử bán dẫn, đó là khả năng đóng cắt dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ. AKG+p+p+p+p+n+n+n+n+n+n1J2J3Jnp)aAGK)b)cMở KhoáGmaxIGIAK)d +-G Hình 1.10. GTO: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu; c) Yêu cầu dạng xung điều khiển; d) Nguyên lý thực hiện Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với thyristor như được chỉ ra trên hình 1.10. Ký hiệu của GTO cũng chỉ ra tính chất điều khiển hoàn toàn của nó. Đó là dòng điện đi vào cực điều khiển để mở GTO, còn dòng điện đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, nghĩa là để khoá GTO lại. Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anôt được bổ sung các lớp n+. Dấu (+) ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử, được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này. Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp n+ của catôt. Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anôt có điện áp dương hơn so với catôt thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của thyristor. Tuy nhiên nếu catôt có điện áp dương hơn so với anôt thì tiếp giáp p+-n ở sát anôt sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược. GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở thyristor thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO cao 11 hơn ở thyristor thường. Do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì. Giống như ở thyristor thường, sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể. Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ catôt, vùng n+, đến anôt, vùng p+, tạo nên dòng anôt. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anôt và vùng n+ của catôt. Kết quả là dòng anôt sẽ bị giảm cho đến khi về đến không. Dòng điều khiển được suy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá. Yêu cầu về xung điều khiển và nguyên tắc thực hiện được thể hiện trên hình 1.10c,d. Hình 1.10c thể hiện xung dòng khóa GTO phải có biên độ rất lớn, vào khoảng 20-25% biên độ dòng anôt-catôt. Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn xung rất lớn, khoảng 0,5 đến 1µs. Điều này giải thích tại sao nguyên lý thực hiện tạo xung dòng khoá là nối mạch cực điều khiển vào một nguyên tắc, nguồn áp có nội trở bằng không và có thể cung cấp một dòng điện vô cùng lớn. 1T2TzD1CAK1RG0V15V15)e Hình1.10e. Mạch điều khiển GTO Sơ đồ đơn giản trên hình 1.10e mô tả việc thực hiện nguyên lý điều khiển trên. Mạch điện dùng hai khoá transistor T1, T2. Khi tín hiệu điều khiển là 15V thì T1 mở, dòng chạy từ nguồn 15V qua điện trở hạn chế R1 nạp điện cho tụ C1 tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO. Khi tụ C1 nạp đầy đến điện áp của điôt ổn áp Dz, dòng điều khiển kết thúc. Khi tín hiệu điều khiển rơi xống mức 0V thì T1 bị khoá, T2 sẽ mở dó có điện áp trên tụ C1, tụ C1 bị ngắn mạch qua cực điều khiển, catôt và transistor T2 tạo nên dòng đi ra khỏi cực điều khiển, khoá GTO lại. Điôt Dz ngăn không cho tụ C1 nạp ngược lại. Ở đây vai trò của nguồn áp chính là tụ C1, do đó tụ C1 phải chọn là loại có chất lượng rất cao. Transistor T2 phải chọn là loại xung dòng có biên độ lớn chạy qua. 1.6 TRANSISTOR CÔNG SUẤT, BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR) 1.6.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT Transistor là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n. Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction Transistor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương. Transistor có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) và emitơ (E). BJT công suất thường là loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất được biểu diễn trên hình 1.12, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E. Trong chế độ tuyến tính, hay còn gọi là chế độ khuếch đại, transistor là phần tử khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng lần dòng bazơ (dòng điều khiển), trong đó được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện: IC = .IB 12 Tuy nhiên, trong điện tử công suất, transistor chỉ được sử dụng như một phần tử khoá. Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện: CBII hay CbhBIkI trong đó kbh = 1,2 1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó transistor sẽ ở trong chế độ bão hoà với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp bão hoà, UCE.bh. CColectoBBazoEmitoEn nnnp-nBEC)a)b Hình 1.12. BJT: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu Khi khoá, dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng colectơ gần bằng không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với transistor. Tổn hao công suất trên transistor bằng tích dòng điện colectơ với điện áp rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá. Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều bị phân cực ngược. Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n-. Độ dày và mật độ điện tích của lớp n- xác định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT. Transistor ở chế độ tuyến tính nếu tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược. Trong chế độ tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ sẽ kích thích các điện tử từ tiếp giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được trung hoà hết, kết quả là tốc độ trung hoà quyết định dòng colectơ tỷ lệ với dòng bazơ, IC = .IB. Transistor ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư thừa thì các điện tích sẽ không bị trung hoà hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở nhỏ, dòng điện có thể chạy qua. Cũng do tốc độ trung hoà điện tích không kịp nên transistor không còn khả năng khống chế dòng điện được nữa và giá trị dòng điện sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết định. Đó là chế độ mở bão hoà. 1.6.2 Đặc tính đóng cắt của transistor Chế độ đóng cắt của transistor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC. Ta phân tích quá trình đóng cắt của một transistor qua sơ đồ khoá trên hình 1.13a, trong đó transistor đóng cắt một tải thuần trở Rt dưới điện áp +Un điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -UB2 đến +UB1 và ngược lại. Dạng sóng dòng điện, điện áp cho trên hình 1.13b. 1. Quá trình mở 13 Theo đồ thị hình 1.13b, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu từ khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức +UB1. Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tương đương bằng Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến +UB1. Khi UBE còn nhỏ hơn không, chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE. Tụ Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện áp rơi trên điôt theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc. Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3). Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td(on) của BJT. nU+tRBCCBECCEBBR)t(uB1BU2BU)t(iC)t(iB)a(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9))t(uB1BU2BU)t(uBE2BUV7,0)t(iB)t(i1B)t(i2B)t(uCEnU+bh.CI)t(iC00000ttttt)b Hình 1.13. Quá trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dòng điện, điện áp Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colêctơ. Các điện tử thoát ra khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ. Quá trình tăng dòng IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dòng bazơ không đổi: B*1B1BRU-UI Tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.13a, ta có: BBC.CBE.C1BiiiI Trong đó: iC.BE là dòng nạp của tụ CBE, iC.BC là dòng nạp của tụ CBC, iB là dòng đầu vào của transistor, iC = β.iB. 14 Dòng colectơ tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là IC(∞) = β.IB1. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hoà, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC = β.iB không còn tác dụng nữa. Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Vì khoá làm việc với tải trở trên colectơ nên điện áp trên colectơ - emitơ UCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC. Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn. Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà cuối cùng, xác định bởi biểu thức: UCE.bh = Un – IC.bh.Rt Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ thuộc cấu tạo của BJT. Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hoà. 2. Quá trình khoá BJT Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ. Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu như không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá. Khi điện áp điều khiển thay đổi từ +UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6), điện tích tích luỹ trong lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức được. Dòng IB ngay lập tức sẽ có giá trị: B*2B2BRUUI Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi IB2. Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp giáp bazơ - colectơ giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cực ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá, td(off). Trong khoảng (7), dòng colectơ IC bắt đầu giảm về không, điện áp UCE sẽ tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazơ. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngược, bằng –Un. Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.13a, ta có: IB2 = iC.BC - iB trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của transistor. Từ đó có thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. Đến cuối khoảng (7) transistor mới khoá lại hoàn toàn. Trong khoảng (8), tụ bazơ - emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2. Transistor ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9). 3. Dạng tối ưu của dòng điều khiển khóa transistor Transistor có thể khóa lại bằng cách cho điện áp đặt giữa bazơ- emitơ bằng không, tuy nhiên có thể thấy rằng khi đó thời gian kéo dài đáng kể. Khi dòng IB2 = 0, toàn bộ điện tích tích lũy trong cấu trúc bán dẫn của transistor sẽ chỉ bị suy giảm nhờ quá trình tự trung hòa sau một thời gian nhất định. Có thể rút ngắn thời gian mở, khóa transistor bằng cách cưỡng bức quá trình di chuyển điện tích nhờ dạng dòng điện điều khiển như biểu diễn trong hình 1.13. Ở thời 15 điểm mở, dòng IB1 có giá trị lớn hơn nhiều so với giá trị cần thiết để bão hòa BJT trong chế độ dẫn, IB1 = kbh.IC. Như vậy, thời gian trễ khi mở td(on) và thời gian mở tr(on) (khoảng (3) trên đồ thị hình 1.13) sẽ được rút ngắn. Dòng khóa IB2 cũng cần có biên độ lớn để rút ngắn thời gian trễ khi khóa td(off) và thời gian khóa tr(off) (khoảng (7) trên đồ thị hình 1.13). Tuy nhiên, dòng IB cũng làm nóng các tiếp giáp trong BJT, vì vậy giá trị biên độ của chúng cũng phải được hạn chế phù hợp theo các giá trị giới hạn cho trong các đặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất. 1.7 TRANSISTOR TRƢỜNG, MOSFET (METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR) 1.7.1 Cấu tạo của MOSFET Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Hình 1.14 thể hiện cấu trúc bán dẫn 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 đioxit-silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là các điện tử (eletron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực gốc. Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S chỉ ra rằng trong điều kiện bình thường 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. n-nnnnnppCực gốc SCực điều khiển GCực máng D)aGDS)b Hình 1.14. MOSFET (kênh dẫn n): a) Cấu t rúc bán dẫn; b) Ký hiệu a)Vùng nghèo điện tíchn-nppnnnnKênh dẫnppnnnnn-nn-nppnnnnĐiôt trongb)c) Hình 1.15. Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET 1.7.2. Nguyên lý hoạt động của MOSFET Hình 1.15 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 giữa cực điều khiển và cực gốc bằng 16 không, uDS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện. Giữa cực gốc và cực máng sẽ là tiếp giáp p-n- phân cực ngược. Điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo của tiếp giáp này (hình 1.15a). Nếu điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể xuất hiện. Khi điện áp điều khiển là dương, UGS > 0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành (hình 1.15b). Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với cấu trúc của BJT, IGBT, thyristor là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản. Dòng điện giữa cực gốc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS. Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.15c), có thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n-, tương đương với một điôt ngược nối giữa D và S. Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các điôt ngược mắc song song với các van bán dẫn. Như vậy ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn một điôt nội tại như vậy. 1.8 TRANSISTOR CÓ CỰC ĐIỀU KHIỂN CÁCH LY, IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Về mặt điều khiển, IGBT gần như giống hoàn toàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ. Hình 1.16 giới thiệu cấu trúc bán dẫn của một IGBT. +npnnppnnpnnpnn+npCực điều khiển GEmitơ EColectơ Ca)b) c)CGE1i2id)CGE HÌnh 1.16. IGBT: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Cấu trúc tương đương với một transistor n-p-n và một MOSFET; c) Sơ đồ thương đương; d) Ký hiệu Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với colectơ tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitơ (tương tự cực gốc) với colectơ (tương tự cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET. Có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET (hình 1.16b và c). Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n--p như ở cấu trúc giữa bazơ và colectơ ở transistor thường, tạo nên dòng colectơ. 17 1.9 TỔN HAO CÔNG SUẤT TRÊN CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT Ngoài tổn thất do mạch điều khiển sinh ra đã đề cập đến ở những phần tử cụ thể nói trên, ta sẽ phân tích các thành phần tổn thất trong các chế độ làm việc của van sau đây. 1.9.1 Tổn thất trong chế độ tĩnh, đang dẫn dòng hoặc đang khoá Khi phần tử đang ở trong chế độ dẫn dòng hoặc đang khoá, tổn hao công suất bằng tích của dòng điện qua phần tử với điện áp rơi trên nó. Khi phần tử đang khoá, điện áp trên nó có thể lớn nhưng dòng rò qua van sẽ có giá trị rất nhỏ, vì vậy tổn hao công suất có thể bỏ qua. Tổn hao công suất trong chế độ tĩnh chủ yếu sinh ra khi van dẫn dòng. Với đa số các phần tử bán dẫn, điện áp rơi trên van thường không đổi, ít phụ thuộc vào giá trị dòng điện chạy qua. Như vậy có thể dễ dàng xác định được tổn hao công suất trong trạng thái van dẫn. 1.9.2 Tổn thất trong quá trình đóng cắt Trong quá trình đóng cắt, công suất tổn hao tức thời có thể có giá trị lớn vì dòng điện và điện áp rơi trên van đều có thể có giá trị lớn đồng thời. Nói chung, thời gian đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong cả chu kỳ hoạt động của phần tử nên tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong công suất tổn hao trung bình. Tuy nhiên phần tử phải làm việc với tần số đóng cắt cao thì tổn hao do đóng cắt lại chiếm một phần chính trong công suất phát nhiệt. Xác định tổn hao trong chế độ đóng cắt là một nhiệm vụ không đơn giản, vì phải phân biệt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt, do đó ảnh hưởng đến tổn hao công suất. 1.10 SO SÁNH TƢƠNG ĐỐI GIỮA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT Vừa và nhỏLớnTrung bìnhThấp Trung bình CaoTiristo GTOIGBT, tranzito 0 Tần sốCông suấtMOSFET Hình 1.17. So sánh tương đối giữa các phần tử bán dẫn Có thể so sánh một cách tương đối các phân tử bán dẫn công suất theo khả năng đóng cắt về công suất (điện áp và dòng điện) và tần số đóng cắt để thấy được phạm vi ứng dụng của các phần tử khác nhau. Hình 1.17 mô tả sự so sánh tương đối này. Thyristor là những phần tử được chế tạo cho khả năng đóng cắt về công suất lớn nhất. Những thyristor lớn nhất có điện áp chịu được đến 4500V, dòng điện tối đa đến 4000A. Phạm vi hoạt động về tần số đối với thyristor lại là thấp nhất vì thời gian trễ đóng mở của cấu trúc p-n-p-n tương đối lớn, trễ khi mở cỡ 5s, trễ khi khoá cỡ 10 đến 200 s. Vì vậy các thyristor được ứng dụng chủ yếu trong các sơ đồ chỉnh lưu, trong đó các khoá sẽ chuyển mạch tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới với tần số 50 – 60 Hz. Thyristor là 18 phần tử điều khiển không hoàn toàn, có thể điều khiển mở bằng cực điều khiển nhưng không thể khoá lại được. GTO là bước cải tiến đáng kể về công nghệ chế tạo của thyristor. GTO có khả năng đóng cắt về công suất thấp hơn so với thyristor nhưng phạm vi hoạt động về tần số thì lại cao hơn. Do có khả năng khoá lại bằng cực điều khiển nên thời gian trễ khi khoá được rút ngắn lại một cách đáng kể so với thyristor. GTO được ứng dụng trong các sơ đồ nghịch lưu với công suất trung bình và tần số trung bình. Việc ứng dụng các GTO đã dẫn đến công suất của các bộ biến tần được chế tạo ngày càng lớn. Transistor và IGBT là những phần từ bán dẫn được ứng dụng với những phạm vi công suất nhỏ nhưng yêu cầu tần số làm việc cao. Đặc biệt là các IGBT đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi và thay thế dần các transistor thường. Với công suất điều khiển yêu cầu rất nhỏ việc sử dụng IGBT làm đơn giản đáng kể thiết kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước của hệ thống điều khiển này ngày càng thu nhỏ. Với ưu thế tuyệt đối về thời gian đóng cắt cực nhỏ (cỡ 0,5 đến 1 s) các MOSFET chiếm ưu thế tuyệt đối cho các ứng dụng yêu cầu tần số đóng cắt rất cao (đến vài trăm kHz) nhưng công suất tương đối nhỏ, ví dụ như các bộ nguồn xung cho máy tính PC. 1.11 VẤN ĐỂ LÀM MÁT VAN BÁN DẪN Tổn hao công suất, bằng tích của dòng điện chạy qua phần tử với điệp áp rơi trên phần tử, tỏa ra dưới dạng nhiệt trong quá trình làm việc. Nhiệt lượng tỏa ra tỷ lệ với trung bình của tổn hao công suất .Trong quá trình làm việc nhiệt độ của bản thân cấu trúc bán dẫn phải luôn ở dưới một giá trị cho phép (khoảng 120 C đến 150 C theo đặc tính kỹ thuật của phần tử ) ,vì vậy nhiệt lượng sinh ra cần phải được dẫn ra ngoài, nghĩa là đòi hỏi phải có quá trình làm mát các phần tử bán dẫn. 1.11.1 Truyền nhiệt Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra. Khi nhiệt độ của van cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt lượng được truyền vào môi trường. Tới giới hạn nào đó nhiệt lượng do công suất tổn hao sinh ra, với lượng nhiệt truyền vào môi trường bão hòa thì nhiệt độ của van không tăng nữa. 1212t1tP2tP0 Hình 1.18 Đường cong nhiệt độ Hình 1.18 giới thiệu đường cong nhiệt độ của một van trong môi trường truyền nhiệt đồng nhất. Đường cong Pt1 ứng với van khi làm việc có công suất tiêu hao lớn; đường cong pt2 ứng với van làm việc khi có công suất tiêu hao nhỏ; θ là trênh lệch nhiệt độ giữa van và môi trường. 19 1.11.2 Các biện pháp làm mát cho van Mỗi loại van khi đưa vào thị trường, các nhà sản xuất bao giờ cũng cung cấp cho người sử dụng biết các thông số quan trọng như: Itbv, Ung.max, Tmax… Nhưng chúng ta cần lưu ý rằng các van do các nước sản xuất thường có nhiệt độ môi trường là 20÷250C. Vì vậy để làm việc với các thông số danh định do nhà sản xuất đưa ra bắt buộc các van phải được làm mát. Thông thường van được gắn lên một cánh tản nhiệt với các thông số phù hợp. Có 2 biện pháp làm mát thường gặp: 1) Làm mát tự nhiên. 2) Làm mát cưỡng bức. Làm mát tự nhiên tức là chỉ dựa vào sự đối lưu không khí quanh van khi áp dụng với các van có công suất nhỏ và Ilv < Iđmv/3. Làm mát cưỡng bức có hai cách: - Tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van để đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt của van vào không khí. - Làm mát bằng nước, van được gắn lên một tấm đồng rỗng có dòng nước mát chạy qua. Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả nhưng hệ thống làm mát khá phức tạp, chỉ phù hợp với những ứng dụng yêu cầu công suất lớn và có sẵn nguồn nước tại vị trí làm mát. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Nêu đặc tính cơ bản chung của các phần tử bán dẫn công suất. 2. Phân biệt hai loại van bán điều khiển và điều khiển hoàn toàn, cho ví dụ. 3. Phân tích đặc tuyến vôn-ampe của các van bán dẫn. 4. Phân tích điều kiện mở/ khóa các van bán dẫn (điôt, thyristor, transistor…). 5. Để chọn một phần tử bán dẫn công suất phải dựa trên các thông số cơ bản nào? 6. Tại sao cần hạn chế tốc độ tăng dòng, tăng áp trên thyristor? 7. Tổn thất trên van bán dẫn trong quá trình làm việc bao gồm những thành phần nào. 8. Tại sao phải đặt vấn đề làm mát cho van bán dẫn. 20 CHƢƠNG 2 CHỈNH LƢU 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lƣu Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành năng lượng dòng một chiều. Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như trên hình 2.1. BA MV ML ~P~1U~P~2UPddI,UKđmv PddI,UKđmra Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ: Máy biến áp (BA) làm hai nhiệm vụ chính là: a) Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều u1 sang điện áp u2 thích hợp với yêu cầu của tải. Tuỳ theo yêu cầu của tải mà máy biến áp có thể là tăng áp hoặc giảm áp. b) Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van có thể cần số pha là 6, 12… Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp. Mạch van (MV): là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu. Mạch lọc (ML): nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu. 2.1.2 Phân loại Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: 1. Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha v.v. 2. Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van: Đối với mạch chỉnh lưu, hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và thyristor, vì thế có ba loại mạch sau: - Mạch van dùng toàn điôt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển. - Mạch van dùng toàn thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển. - Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điôt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển. 3. Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau. Có hai kiểu mắc van: 21 a) Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van. Tất cả các van đều mắc chung một đầu nào đó với nhau hoặc catôt chung, hoặc anôt chung. b) Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt. Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu, người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể mạch đó. Thí dụ: chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa là mạch chỉnh lưu này dùng kiểu măc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van là ba pha, và dùng 6 van có cả điôt và thyristor. 2.1.3 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lƣu Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm thông số chính như dưới đây: 1. Về phía tải Ud – giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu: d)(u21dt)t(uT1U20dT0dd (2.1) Id – giá trị trung bình của dòng điện từ mạch van cấp ra: d)(i21I20dd (2.2) Pd = Ud.Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu. trong đó: θ = ωt: góc [rad] ω = 2πf: tần số góc, [rad/s] f: tần số điện áp lưới, [Hz] 2. Về phía van Itbv – giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van. Ung.max – điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc. Đây là hai tham số giúp việc lựa chọn van phù hợp để không hỏng khi hoạt động trong mạch. 3. Về phía nguồn Thể hiện bằng công suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thông thường sử dụng theo công suất biểu kiến của biến áp: 2SSS21ba = ksđPd (2.3) trong đó: 111IUS (2.4) m1ii2i22IUS (2.5) ở đây các giá trị U1, I1, U2i, I2i là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Do phía thứ cấp có thể có nhiều cuộn dây, nên phải tổng cộng công suất của tất cả m cuộn dây. 22 Để đánh giá khả năng biến đổi của công suất xoay chiều thành một chiều, công suất lấy từ lưới điện Sba được so sánh với công suất một chiều Pd mà tải nhận được qua hệ số ksđ. Hệ số này càng gần 1 càng chính tỏ mạch có hiệu suất biến đổi tốt hơn. Ngoài ba nhóm tham số trên còn có một tham số dùng để đánh giá sự bằng phẳng của điện áp một chiều nhận được, gọi là hệ số đập mạch kđm, được xác định theo biểu thức: kđm= 0m1UU trong đó U1m là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu và U0 là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này. U0 cũng chính là giá trị điện áp trung bình của điện áp chỉnh lưu, tức là U0 = Ud . 2.1.4 Luật dẫn van Mạch van để thực hiện quá trình chỉnh lưu có khá nhiều, tuy nhiên chúng đều tuân theo hai kiểu mắc van với nhau là mắc catôt chung và mắc anôt chung. Vì thế chỉ cần nhận biết hai quy luật dẫn này, ta có thể phân tích toàn bộ các mạch chỉnh lưu có trong thực tế. 1D2DnD1A2AAnKCa)1D2DnD1K2KKnACb) Hình 2.2: a) Van đấu catôt chung; b) Van đấu anôt chung 1. Luật dẫn với nhóm van đấu catôt chung Hình 2.2a là mạch van khi tất cả các điôt có catôt đấu với nhau. Luật dẫn của nó được phát biểu như sau: Van có khả năng dẫn là van có điện thế anôt của nó dương nhất trong nhóm, tuy nhiên nó chỉ dẫn được nếu điện thế anôt này dương hơn điện thế ở điểm catôt chung KC. Thí dụ, ở thời điểm hiện tại ta có: A1 > A2 > A3 > … > An và đồng thời A1 > KC thì van D1 sẽ dẫn. Lúc đó nếu coi sụt áp trên van bằng 0 thì khi D1 dẫn ta thấy KC = A1. Điều này dẫn đến điện áp trên các van còn lại sẽ âm: AK2 = A2 - KC = A2 - A1 < 0 ………………………………… AKn = An - KC = An - A1 < 0 Như vậy các van còn lại sẽ phải khoá không dẫn được. 2. Luật dẫn với nhóm van đấu anôt chung Ở nhóm van đấu anôt chung (hình 2.2b) có luật dẫn van sau: Van có khả năng dẫn là van có điện thế catôt âm nhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm hơn điện thế anôt chung AC. 23 Trong chương này sẽ áp dụng hai luật dẫn trên để phân tích các mạch chỉnh lưu thông dụng, trong đó sẽ coi các van là lý tưởng, như vậy khi dẫn sụt áp trên van bằng không (uAK = 0). 2.2 CÁC MẠCH CHỈNH LƢU CƠ BẢN Số lượng các mạch chỉnh lưu khá nhiều, song chủ yếu là một số mạch chính được gọi là mạch cơ bản. Những mạch này được xác định các tham số với mạch dùng van là điôt và tải thuần trở. 2.2.1 Chỉnh lƣu một pha 1. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ Mạch van chỉ có một van duy nhất là điôt D (hình 2.3a). Giả thiết điện áp thứ cấp máy biến áp sinU22u2; với θ = ωt. +(+)-(-)2iD2u1ududRdi)a Hình 2.3 2u22U22U202U2duD dẫn D khóab) Ở nửa chu kỳ đầu: θ = (0 ) khi điện áp đặt vào mạch van u2 > 0 với cực tính (+, -) thì điôt D dẫn. Vì với giả thiết điôt là lý tưởng, điện áp rơi trên điôt bằng 0 khi dẫn, nên có ud = u2. Ở nửa chu kỳ sau: θ = ( 2) điện áp u2 đảo dấu (cực tính (+)(-)) nên điôt D khoá, vì thế ud = 0. Như vậy, ta có dạng điện áp nhận được trên tải ud có dạng như hình 2.3b. Từ đó ta tính được giá trị trung bình của điện áp nhận được trên tải là: 2220220ddU45,0U2dsinU221d)(u21U (2.6) Vì tải thuần trở nên: RUIdd (2.7) Theo mạch ta thấy dòng qua van chính là dòng qua tải và dòng chảy qua cuộn thứ cấp biến áp, vì vậy Itbv = Id. 24 Điện áp ngược trên van chỉ xuất hiện khi van khoá, tức là trong khoảng ( 2). Theo sơ đồ lúc đó uAK = u2, do đó điện áp ngược trên van Ungmax = 2U2. Một số tham số khác của mạch chỉnh lưu này xem trong bảng 2.1. Nhìn chung, mạch chỉnh lưu này có các chỉ tiêu kỹ thuật kém nên chỉ thích hợp với tải nhỏ (đến một vài ampe). 2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa (chỉnh lưu hình tia hai pha) Biến áp có điểm giữa biến điệp áp sơ cấp u1 thành hai điện áp ngược pha nhau 1800 ở thứ cấp '2u và ''2u. Sơ đồ mạch chình 2.4a. Ở mạch van này các điôt D1, D2 đấu theo kiểu catôt chung, vì vậy chúng sẽ làm việc theo luật dẫn 1 trong đó anôt của điôt D1 nối với '2u, còn anôt của D2 nối với điện áp ''2u. Trong nửa chu kỳ đầu θ = (0 ), điôt D1 dẫn do '2u > ''2u, nên ud = '2u. Trong nửa chu kỳ sau θ = ( 2), điôt D2 dẫn do ''2u > '2u, nên ud = ''2u. Do vậy điện áp chỉnh lưu ud sẽ có dạng ở hình 2.4b. 2'u2''uduD1 dẫnD2 khoáD1 khoáD2 dẫn)bu1ud2'u2''uD1D2)a0022U22U22U2 Hình 2.4 Điện áp chỉnh lưu trung bình nhận được trên tải là: 22020ddU9,0U22dsinU21d)(u1U (2.8) Và dòng điện trung bình nhận được trên tải: RUIdd Do mỗi điôt chỉ dẫn một nửa chu kỳ điện áp lưới, trong khi dòng điện tải tồn tại cả hai nửa chu kỳ, do vậy dòng trung bình qua điôt bằng một nửa dòng tải: 2IIdtbv Để tính điện áp ngược trên van, ta giả sử D1 dẫn, D2 khoá (giai đoạn θ = 0 ). Lúc này ta thấy D2 được đấu song song với hai cuộn thứ cấp nối tiếp nhau, vì vậy: sinU22sinU2)sin(U2uuu222'2''2D2 25 nên điện áp ngược cực đại trên điôt D2 là Ungmax = 2U22. Mạch chỉnh lưu này được sử dùng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài kW, nó thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp vì sụt áp trên đường ra tải chỉ có một van. Nhược điểm của mạch là buộc phải có biến áp đổi số pha. Hơn nữa một số thông số khác cũng không tốt. 3. Chỉnh lưu cầu một pha Mạh chỉnh lưu gồm 4 van D1 D4 đấu thành hai nhóm (hình 2.5a): D1D3 đấu catôt chung, D2D4 đấu anôt chung. Nguồn xoay chiều dưa vào mạch van có thể lấy trực tiếp từ lưới hoặc thông qua biến áp. Trong nửa chu kỳ đầu (θ: 0), điện áp u2 > 0 với cực tính (+, -) trên sơ đồ. Ta thấy, với nhóm catôt chung D1D3 thì anôt D1 dương hơn anôt D3 vì vậy D1 sẽ dẫn. Còn ở nhóm anôt chung D2D4 thì catôt D2 âm hơn catôt D4 vì vậy D2 dẫn. Như vậy, nửa chu kỳ đầu D1D2 dẫn, điện áp nhận được trên tải ud = u2 Trong nửa chu kỳ sau (θ: 2), điện áp u2 < 0 với cực tính đảo lại ((+), (-)), lý luận tương tự ta thấy điôt D3D4 dẫn, điện áp nhận được trên tải ud = -u2 Rd D1D2 D3 D4ud u2id+(-)-(+)a b ud2)a)bu22U22U22U2D1,D2 dẫnD3, D4 khóaD1,D2 khóaD3, D4 dẫn Hình 2.5 Đối với điện áp ra tải, ta luôn thấy điểm a trong cả hai nửa chu kỳ đều được nối với cực tính dương (+) của nguồn u2, và điểm b luôn được nối với cực tính âm (-) của u2. Vì vậy điện áp ra tải ud giống của chỉnh lưu hình tia hai pha, do đó ta cũng có: RUIU9,0U22Udd22d (2.9) Dòng điện qua mỗi điôt cũng chỉ tồn tại trong một nử chu kỳ, do đó 2IIdtbv. Tuy nhiên điện áp ngược trên van đang khoá chỉ bằng điện áp nguồn u2, nên: Ungmax = 2U2 (2.10) |
