Chuong 2 Linh Kien DTCS

Ch 2 Linh kien DTCS.doc Page 1 of 20

Chöông 2: LINH KIEÄN COÂNG SUAÁT

Trong chöông 2, ta seõ khaûo saùt ñaëc tính cuûa caùc linh kieän ñieän töû coâng suaát thoâng duïng, bao goàm diod, transistor, SCR vaø caùc linh kieän cuøng hoï. Vôùi nhöõng linh kieän ñaõ ñöôïc khaûo saùt chi tieát trong maïch ñieän töû, chöông naøy chæ boå sung nhöõng noäi dung lieân quan ñeán hoaït ñoäng ñoùng ngaét laø ñaëc tính ñöôïc söû duïng trong caùc boä bieán ñoåi naêng löôïng ñieän.

II.1 DIODE:

1. Ñaëc tính – phaân loaïi:

Diod laø linh kieän ñieän töû quen thuoäc, caáu taïo baèng moät moái noái baùn daãn p-n. Diod coù khaû naêng daãn ñieän moät chieàu – khi ñöôïc phaân cöïc thuaän VAK > 0 Khi bò phaân cöïc ngöôïc, diod coù doøng roø ngöôïc, thöôøng coù trò soá khoâng ñaùng keå vaø khi VAK coù trò soá lôùn hôn VBR , coù hieän töôïng gaûy ngöôïc (Reverse Breakdown) laøm hö hoûng linh kieän. Trong maïch ñieän töû coâng suaát, ta söû duïng diod coâng suaát, goàm caùc loaïi sau:

- Diod duøng vaät lieäu silic thoâng thöôøng, goàm hai loaïi: diod duøng trong caùc sô ñoà laøm vieäc ôû taàn soá löôùi ñieän vaø diod phuïc hoài nhanh laøm vieäc ôû taàn soá cao, suït aùp thuaän VF töø 0.7 ñeán 1 volt.

Hình II.1.1: Kyù hieäu.

Hình II.1.2: Ñaëc tính Volt – Ampe cuûa diod.

- Diod Schottky ñöôïc khueách taùn nhieàu chaát daãn ñieän neân coù theå laøm vieäc taàn soá cao, suït aùp thuaän thaáp (khoaûng 0.2 – 0.4V). Nhöng vì theá maø diod Schottky chæ coù theå chòu aùp khoùa thaáp.

2. Ñaëïc tính phuïc hoài (recovery) cuûa diod:

Ñaëc tính phuïc hoài cuûa diod thuoäc veà moät trong hai ñaëc tính ñoäng (dynamic) moâ taû quaù trình quaù ñoä, chuyeån ñoåi giöõa hai traïng thaùi ñoùng hay daãn ñieän (ON) vaø ngaét (OFF) cuûa diod. Noù moâ taû quaù trình chuyeån töø traïng thaùi daãn ñieän sang traïng thaùi khoùa nhö trong hình II.1.3.

Hình II.1.3: Hai kieåu phuïc hoài.

Khi baét ñaàu phaân cöïc ngöôïc, coù khoaûng thôøi gian ngaén diod daãn doøng aâm goïi laø thôøi gian


phuïc hoài ngöôïc trr (rr: reverse recovery) töông öùng vôùi vieäc xaû vaø naïp ngöôïc laïi caùc ñieän tích

cuûa moái noái p-n. Thôøi gian phuïc hoài ngöôïc trr tính töø khi doøng qua diod ñaûo chieàu cho ñeán khi noù coøn baèng 25% giaù trò doøng ngöôïc cöïc ñaïi IRR (hình II.1.3). Thôøi gian naøy khaù lôùn (vaøi chuïc micro sec) ôû diod taàn soá coâng nghieäp, beù hôn nhieàu (nhoû hôn microsec) ôû diod phuïc hoài nhanh (fast recovery).

- Ñieän tích phuïc hoài ngöôïc: Qua khaûo saùt, ñaëc tính phuïc hoài ngöôïc cuûa diod phuï thuoäc vaøo ñieän tích phuïc hoài ngöôïc

RRRR Ft

Q i dt= ∫ . cuûa moái p – n diod. Ñieän tích naøy phuï thuoäc vaøo coâng

ngheä cheá taïo diod vaø doøng daãn ñieän thuaän tröôùc ñoù IF . Töø hình II.1.3, ta coù quan heä sau khi cho doøng ñieän qua diod taêng, giaûm tuyeán tính:

12

.RR rr RRQ t I= hay 2 RRRR

rr

QIt

= ,

Vôùi ta >> tb (thöôøng ñuùng trong ña soá tröôøng hôïp, do di/dt khaù beù), suy ra:

2. . .RR a rr RRdi di diI t t Qdt dt dt

= ≈ =

Coâng thöùc naøy cho pheùp ta tính doøng ñieän ngöôïc cöïc ñaïi IRR theo ñieän tích phuïc hoài ngöôïc QRR vaø toác ñoä taêng doøng ngöôïc di/dt. QRR ñöôïc cho trong caùc soå tay tra cöùu cuûa nhaø cheá taïo, di/dt quyeát ñònh bôûi maïch ñieän.

- AÛnh höôûng cuûa ñieän tích phuïc hoài ngöôïc: Sau khi doøng ngöôïc ñaït giaù trò cöïc ñaïi, doøng qua diod giam veà zero trong thôøi gian tb. Thôøi gian naøy chæ phuï thuoäc ñaëc tính diod, coù trò soá khaù nhoû, laøm toác ñoä giaûm doøng ngöôïc di/dt luùc naøy raát cao, caùc töï caûm coù trong maïch ñieän coù theå gaây ra quaù aùp. Quaù trình naøy coù theå moâ taû treân hình II.1.4.a khi thay diod baèng ñieän trôû R coù trò soá thay ñoåi sao cho doøng giaûm veà zero trong thôøi gian tb theo qui luaät ñöôøng thaúng:

; RR RRD L

b b

I Idi diu U u U L U Ldt t dt t

= − = − = − = +

Vôùi tb thöôøng raát beù, aùp caûm öùng naøy raát cao coù theå laøm hö hoûng phaàn töû maïch hay gaây nhieãu. Ta coù theå choáng laïi baèng caùch söû duïng RC song song vôùi diod (hình II.1.4.b) vaø maïch ñieän duøng ñeå tính toaùn laø hình II.1.4.c khi thay theá diod laø khoùa K vaø khoâng ñeå yù ñeán aùp nguoàn U. AÙp ban ñaàu treân tuï ñieän uC (0) = 0, khoùa K môû ra khi doøng qua L ñaït giaù trò IRR. Phaàn töû RC ñöôïc choïn sao cho maïch LCR laø khoâng dao ñoäng vaø aùp cöïc ñaïi treân khoùa K laø beù nhaát (baøi taäp).

KC

i (0) = IU

L

RU

_

L

LRR

DD

C

(b)

R

RRLL i (0) = I

(c)

môû ra ôût = 0

+

u

+

R

(a)

_

Hình II.1.3: AÛnh höôûng cuûa ñaëc tính phuïc hoài ngöôïc cuûa diod vaø taùc duïng cuûa maïch snubber:

Nhö ñöôïc khaûo saùt trong phaàn tieáp theo, thyristor cuõng gaëp vaán ñeà töông töï.

Diod Silicon Carbide:


Töø 2001, ngöôøi ta ñaõ cheá taïo caùc diod Schottky duøng vaät lieäu Silicon Carbide vôùi caùc ñaëc tính: aùp ngöôïc cao hôn diod Schottky truyeàn thoáng raát nhieàu (1KV), nhieät ñoä hoaït ñoäng cho pheùp coù theå vöôït qua 200o trong khi haàu nhö khoâng coù quaù trình phuïc hoài ngöôïc (hình II.1.4). Ñieàu naøy coù theå laøm taêng hieäu suaát ñaùng keå caùc BBÑ flyback (chöông 4) khi laøm giaûm toån hao cuûa quaù trình ñoùng ngaét vaø taêng ñöôïc taàn soá laøm vieäc cuûa maïch.

Gaàn ñaây caùc mosFET duøng coâng ngheä SiC ñaõ ra ñôøi vôùi nhieåu ñaëc tính vöôït troäi: chòu aùp cao vôùi Ron raát thaáp, taàn soá vaø nhieät ñoä laøm vieäc cao… cho thaáy coâng ngheä Silicon Carbide höùa heïn laøm taêng hieäu suaát caùc boä bieán ñoåi leân moät baäc nöõa, nhö tröôøng hôïp thay ñoåi töø BJT qua mosFET coâng suaát tröôùc ñaây.

Hình II.1.3: So saùnh quaù trình phuïc hoài cuûa diod SiC vaø diod Si phuïc hoài nhanh

II.2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT:

Transistor laø nhoùm linh kieän ñieàu khieån laøm vieäc ôû nguoàn moät chieàu, bao goàm BJT khi ñieàu khieån baèng doøng cöïc B vaø MosFET hay IGBT vôùi aùp cöïc coång G. Trong maïch ÑTCS, ta söû duïng caùc linh kieän coâng suaát lôùn, laø caùc transistor chòu ñöôïc doøng, aùp cao, laøm vieäc trong cheá ñoä ñoùng ngaét. Transistor coâng suaát goàm coù:

- BJT: transistor hai moái noái, laø linh kieän ñieàu khieån baèng doøng cöïc B, maïch ñieän töû coâng suaát söû duïng hai cheá ñoä laøm vieäc:

- IB = 0 => BJT khoùa, khoâng daãn ñieän

- IB ñuû lôùn (IB >> IC / β) BJT baûo hoøa, daãn doøng taûi IC chæ phuï thuoäc maïch taûi.

Hình II.2.1: Caáu taïo cuûa BJT coâng suaát: Cöïc B phaân boá ñeàu treân toaøn boä dieän tích, cung caáp khaû naêng ñieàu khieån hieäu quaû hôn (heä soá khueách ñaïi lôùn, toác ñoä ñoùng ngaét nhanh).

Nhö vaäy cheá ñoä khueách ñaïi chæ toàn taïi trong quaù trình quaù ñoä giöõa 2 traïng thaùi naøy. Moät löu yù laø trong cheá ñoä baûo hoøa, heä soá khueách ñaïi doøng cuûa BJT giaûm ñaùng keå (coøn töø 10 -20), ñaëc bieä laø khi doøng, aùp cao. Ñeå giaûm doøng ñieàu khieån linh kieän, caùc nhaø saûn xuaát cheá taïo caùc transistor Darlington vôùi heä soá khueách ñaïi doøng β töø vaøi traêm ñeán haøng nghìn.

G

S

D

S

G

D

G

C

E G

C

E Transistor Darlington MosFET keânh n vaø kyù hieäu quen duøng Kyù hieäu IGBT Maïch nguyeân lyù IGBT

Hình II.2.2: Kyù hieäu caùc transistor (ngoaøi BJT)

- MosFET: laø transistor tröôøng coù cöïc coång caùch ñieän, bao goàm keânh daãn ñieän DS ñöôïc kieåm


soaùt bôûi cöïc coång G caùch ñieän baèng lôùp oxit kim loaïi (hình II.2.2). MosFET laø transistor tröôøng loaïi taêng (enhancement), noù daãn ñieän khi coù aùp phaân cöïc coång VGS. Gioáng nhö BJT, maïch ÑTCS söû duïng MosFET ôû hai cheá ñoä:

- VGS ≤ 0 : transistor khoùa, keânh daãn ñieän DS hôû maïch.

- VGS > VTH (ñieän aùp theàm VTH töø 3 .. 5 volt): mosFET baûo boøa - ñieän trôû keânh daãn ñieän rDon raát beù (suït aùp thöïc teá töø 1 – 2 volt ôû doøng ñieän ñònh möùc).

- IGBT (Insulated Gate BJT): Coâng ngheä cheá taïo MosFET khoâng cho pheùp taïo ra caùc linh kieän coù ñònh möùc doøng lôùn, IGBT coù theå xem laø söï keát hôïp giöõa MosFET ôû ngoû vaøo vaø BJT ôû ngoû ra (hình II.2.2) ñeå coù ñöôïc linh kieän ñoùng ngaét doøng moät chieàu ñeán haøng nghìn Ampe, ñieàu khieån baèng aùp cöïc coång G. Nhö vaäy mosFET vaø IGBT coù cuøng phöông phaùp ñieàu khieån.

Transistor noùi chung khoâng cho pheùp phaân cöïc ngöôïc neân ngöôøi ta hay noái moät diod song song ngöôïc ñeå baûo veä. Trong nhieàu tröôøng hôïp diod song song ngöôïc laø coù saün trong MosFET hay IGBT (goïi laø diod kyù sinh taïo ra trong quùa trình cheá taïo). Tuy nhieân, caùc diod kyù sinh naøy thöôøng coù ñaëc tính ñoùng ngaét khoâng toát, ngöôøi ta vaãn phaûi thay theá baèng caùc diod phuïc hoài nhanh ñeå ñaõm baûo BBÑ laøm vieäc toát. Treân thò tröôøng, caùc nhaø saûn xuaát ñaõ cheá taïo ra nhöõng module goàm transistor vaø caùc phaàn töû phuï laøm thaønh moät ngaét ñieän hoaøn chænh, ñeå tieän duïng khi thöïc hieän BBÑ coâng suaát lôùn.

GHi NHÔÙ - Maïch ÑTCS chæ söû duïng transistor trong cheá ñoä ñoùng ngaét

- MosFET vaø IGBT coù cuøng phöông phaùp ñieàu khieån.

a. Ñaëc tính ñoùng ngaét cuûa transistor:

Laøm thí nghieäm vôùi caùc maïch ñieän treân hình II.2.3, nguoàn VBB coù daïng soùng treân hình II.2.4.a vaø bieân ñoä ñuû lôùn ñeá transistor Q baûo hoøa, ta coù nhöõng nhaän xeùt sau:

- Khi ñoùng (chuyeån töø khoùa sang baûo hoøa) BJT maát thôøi gian tON coù trò soá khoaûng 1 micro giaây, vaø thôøi gian tOFF coù trò soá vaøi micro giaây ñeå khoùa (daïng soùng hình II.2.4.a).

Hình II.2.3: maïch thí nghieäm quaù trình ñoùng ngaét cuûa BJT.

Hình II.2.4.a vaø b:

- Quaù trình chuyeån traïng thaùi khoùa – baûo hoøa khoâng xaûy ra töùc thôøi, coù thôøi gian ñeå aùp vCE vaø iC thay ñoåi trò soá (töông öùng cheá ñoä khueách ñaïi). Ví duï khi taûi trôû:

vCE = VCC – Rt . iC Hình II.2.4.c


aùp vCE cuûa BJT taêng daàn theo quaù trình giaûm cuûa iC trong quaù trình khoùa.

Nhö vaäy coù thôøi gian, duø raát beù, BJT laøm vieäc trong cheá ñoä khueách ñaïi vôùi doøng lôùn vaø aùp cao, daãn ñeán coù toån hao ΔP trong BJT khi ñoùng ngaét (hình II.2.4.b). Ví duï khi aùp treân BJT baèng 200 volt vaø doøng 20 ampe, coâng suaát töùc thôøi treân moái noái CE luùc ñoù laø 200*20 = 4000 watt so vôùi vaøi chuïc watt khi daãn baûo hoøa.

Bi

QR2

VBB

C

DR

R1

Hình II.2.5: cuïm BJT ñoùng ngaét vôùi caùc linh kieän phuï

Hieän töôïng naøy ñaëc bieät nghieâm troïng khi taûi laø RL vaø coù diod phoùng ñieän (hình II.2.3): doøng qua taûi cuoän daây khoâng thay ñoåi töùc thôøi trong khi diod phoùng ñieän D chæ daãn ñieän khi BJT taét haün. Keát quaû laø moái noái CE seõ chòu nguyeân doøng taûi cho ñeán khi vCE = VCC.(hình II.2.4.c) Nhö vaäy toån hao trong quaù trình ñoùng ngaét taûi RL seõ cao hôn tröôøng hôïp taûi R (daïng doøng aùp treân hình II.2.4.a).

Toån hao trong quaù trình ñoùng ngaét seõ trôû neân ñaùng keå khi transistor laøm vieäc ôû taàn soá cao, trong thöïc teá noù laø nguoàn nhieät chuû yeáu laøm phaùt noùng transistor coâng suaát vaø ñieàu naøy giôùi haïn taàn soá laøm vieäc cuûa maïch.

Ñeå haïn cheá söï phaùt noùng do ñoùng ngaét, caàn choïn ñuùng loaïi transistor ñoùng ngaét (loaïi SWitching), duøng maïch caûi thieän quaù trình ñoùng ngaét hoã trôï vaø söû duïng maïch laùi hieäu quaû.

Maïch caûi thieän quaù trình khoùa transistor coù daïng cuûa maïch snubber (baûo veä caùc chænh löu) bao goàm diod D, ñieän trôû R vaø tuï ñieän C treân hình II.2.5 goïi laø maïch snubber moät chieàu. Khi BJT chuyeån sang traïng thaùi khoùa, tuï C ñöôïc naïp qua diod D baèng doøng taûi cuûa transistor [daïng aùp (1) treân hình II.2.4.c]. Nhôø vaäy seõ khoâng coù tröôøng hôïp doøng taûi bò cöôõng böùc chaûy qua BJT trong quaù trình khoùa. Ñieän trôû R haïn doøng phoùng qua CE khi BJT daãn ñieän trôû laïi. Diod D ít gaëp trong thöïc teá, giaù trò ñieän trôû R töø 33 ñeán 150 ohm vaø ñieän dung C coù giaù trò trong khoaûng 0.1 nF ñeán 10 nF phuï thuoäc ñieän aùp vaø taàn soá laøm vieäc.

b. Ñaëc tính ñoùng ngaét mosFET, IGBT

Khoâng nhö BJT bao goàm hai moái noái pn, mosFET laø moät keânh daãn ñieän coù kieåm soaùt, töông ñöông vôùi moät ñieän trôû thay ñoåi neân quaù trình ñoùng ngaét mosFET, IGBT dieãn ra nhanh hôn BJT coù cuøng doøng taûi. Thôøi gian ñoùng ngaét cuûa caùc linh kieän naøy vaøo khoaûng treân döôùi micro giaây so vôùi ít nhaát vaøi micro giaây ôû BJT. Tuy nhieân ta vaãn gaëp laïi ôû mosFET, IGBT nhöõng vaán ñeà cuûa BJT: toån hao khi ñoùng ngaét seõ trôû neân chuû yeáu khi laøm vieäc ôû taàn soá cao. Bieän phaùp caûi thieän cuõng gioáng nhö vôùi BJT: söû duïng maïch snubber vaø maïch laùi thích hôïp.

Baøi taäp: Tính doøng qua maïch laùi mosFET coù tuï CGS = 10 nFñeå laøm cho mosFET trôû neân daãn ñieän trong 1 micro giaây.

Giaûi: Giaû söû doøng qua maïch laùi laø khoâng ñoåi trong quaù trình quaù ñoä vaø mosFET daãn ñieän hoaøn toaøn ôû UGS = 10V. ta coù doøng qua maïch laùi I:

6

6

0

10 10 010 01 10

vaäy

theá baèng soá

( )

..

CC C GS ON

du I II C u t u U tdt C C

I I A−−

= => = + =

= => =i

c. Vuøng hoaït ñoäng an toaøn cuûa BJT (Safe Operating Area) (hình II.2.6 ):


Hình II.2.7 Quyõ ñaïo cuûa ñieåm laøm vieäc cuûa transistor khi coù snubber

Laø vuøng chöùa caùc ñieåm laøm vieäc (IC, VCE ) cho pheùp cuûa BJT khi ñoùng ngaét, giôùi haïn bôûi:

VCE

Hình II.2.6: Vuøng laøm vieäc an toaøn khi phaân cöïc (cöïc B) thuaän (FBSOA) cuûa transistor GE-D67DE

- Caùc giaù trò cöïc ñaïi VCEmax, ICmax. - Ñaëc tính gaûy thöù caáp (second breakdown) cuûa moái noái, laø tröôøng hôïp BJT bò hö hoûng do phaùt noùng cuïc boä laøm taêng doøng IC trong khi aùp vaãn cao, phaân bieät vôùi gaûy sô caáp (primary) do quaù aùp ôû phaân cöïc ngöôïc. Hieän töôïng naøy laø keát quaû cuûa nhieàu nguyeân nhaân phöùc taïp, thöôøng xaûy ra trong quaù trình ñoùng ngaét vôùi taûi RL. Ñieàu naøy nhaán maïch taùc duïng baûo veä cuûa maïch snubber ñoái vôùi transistor. Khi coù maïch naøy, ñieåm laøm vieäc cuûa transistor seõ di chuyeån trong vuøng hoaït ñoäng an toaøn nhö ôû hình II.2.7.

II.3 SCR VAØ THYRISTOR:

SCR (Silicon Controlled Rectifier) coøn goïi laø chænh löu coù ñieàu khieån, laø linh kieän quan troïng nhaát cuõng laø ñaïi dieän cuûa hoï linh kieän baùn daãn coâng suaát lôùn coù nhieàu hôn 3 lôùp p–n goïi laø thyristor. Cuõng vì lyù do naøy maø nhieàu taøi lieäu coøn goïi SCR laø thyristor.

SCR coù ñaëc tính khaùc bieät vôùi transistor neân ñöôïc laáy laøm moät trong 3 ngaét ñieän ñieän töû ñaõ ñöôïc ñònh nghóa trong chöông 1.

1. Caáu taïo vaø nguyeân lyù hoaït ñoäng:

Anod: Döông cöïc Katod: AÂm cöïc Gate: Coång hay cöïc ñieàu khieån. (c ) Kyù hieäu SCR


Hình II.3.1: Caáu taïo moät SCR doøng lôùn tæ leä thöïc (a) vaø phoùng to maûnh tinh theå baùn daãn (b); Kyù hieäu SCR (c )

SCR thöïc teá laøm vieäc hoaøn toaøn gioáng nhö SCR cuûa ngaét ñieän ñieän töû ñöôïc giôùi thieäu trong chöông môû ñaàu, vôùi tín hieäu ñieàu khieån laø doøng iG chaïy töø G qua K:

- Khi môùi caáp ñieän, iG = 0 : SCR khoùa thuaän vaø ngöôïc, doøng IA laø doøng ñieän roø, raát beù, côû mA vôùi VAK ≠ 0. - Khi SCR phaân cöïc thuaän: VAK > 0, vaø coù tín hieäu ñieàu khieån: IG > 0, SCR chuyeån sang traïng thaùi daãn ñieän vaø coù khaû naêng töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän cho ñeán khi doøng qua noù giaûm veà 0.

Caáu taïo nguyeân lyù Maïch töông ñöông hai BJT

Hình II.3.2

Hình II.3.2 cho ta nguyeân lyù caáu taïo vaø maïch töông ñöông cuûa SCR. SCR goàm 4 lôùp p-n-p-n vôùi ñoä laãn taïp chaát khaùc nhau. Hai moái noái p-n, n-p ôû gaàn Anode coù beà daày lôùn vaø ít taïp chaát cho pheùp chòu ñöôïc aùp ngöôïc lôùn. Moái noái p-n cuûa Gate-Cathod moûng, coù ñoä daãn ñieän cao, khoâng chòu ñöôïc aùp ngöôïc nhöng taïo ñöôïc heä soá khueách ñaïi lôùn (nhö moái noái BE cuûa transistor). Maïch töông ñöông cuûa SCR ñöôïc thaønh laäp khi taùch hai lôùp baùn daãn giöõa (lôùp 2 vaø 3) laøm ñoâi, khi ñoù SCR töông ñöông hai BJT pnp vaø npn. Maïch töông ñöông naøy giaûi thích ñöôïc haàu heát nhöõng tính chaát cuûa SCR:

+ Lôùp 2-3 ñaûm baûo khoùa ñieän aùp thuaän VAK > 0, Lôùp 1-2 ñaûm baûo khoùa ñieän aùp ngöôïc VAK < 0 neân SCR khoâng daãn ñieän baát chaáp doøng ñieàu khieån IG .

+ Khi ñieän aùp VAK > 0 (phaân cöïc thuaän) IG > 0 (coù doøng kích) seõ ñöôïc khueách ñaïi bôûi Q1. Vì doøng cöïc thu Q1 cuõng laø doøng cöïc B cuûa Q2, taùc ñoäng khueách ñaïi cuûa Q2 seõ laøm taêng doøng cöïc neàn Q1. Söï phaûn hoài döông naøy seõ laøm caû hai BJT cuøng baûo hoøa: SCR daãn ñieän. Ñieàu naøy cuõng giaûi thích ñöôïc khaû naêng töï giöõ vaø tæ soá doøng ñieän Anode IA treân doøng ñieàu khieån IG khaù cao cuûa SCR. Khi IA giaûm veà 0, SCR maát traïng thaùi daãn, trôû veà traïng thaùi khoùa.

Hieän töôïng phaûn hoài döông doøng IG naøy chæ xaûy ra khi IG ñuû lôùn öùng vôùi moät ñieän aùp phaân cöïc VAK xaùc ñònh nhôø ñaëc tính phi tuyeán cuûa caùc transistor, nghóa laø SCR chæ chuyeån sang traïng thaùi daãn khi IG ñuû lôùn.

Baøi taäp II.3.1: Tính doøng IA cuûa SCR theo IG vaø heä soá khueách ñaïi doøng b1 vaø b2 cuûa hai BJT Q1 vaø Q2 trong hình II.3.2:

Giaûi: 1 1 1 2 2 1 2

2 2 1 1

2 1 2 22 2 2

2 1 2 2

1

1 11

caùc phöông trình:. / ( )

( / ) .

.. .

C B C G C

CQ G

A CQ B CQ G

I b I I b b I II b b b I

b b b bI I I I Ib bb b

= ⇒ = +

⇒ − =

+ +⇒ = + = =

−

(1 - b1.b2) döôùi maãu soá cho thaáy taùc duïng cuûa phaûn hoài döông, chæ caàn tích hai heä soá khueách ñaïi doøng b1.b2 tieán ñeán 1 thì doøng IA coù theå taêng raát lôùn vaø caùc BJT seõ baûo hoøa. Trong thöïc teá caùc heä soá khueách ñaïi doøng laø khaù nhoû vaø thay ñoåi raát nhieàu theo doøng IG vaø aùp phaân cöïcVAK .

GHi NHÔÙ - SCR = diod + khaû naêng ñieàu khieån (kích daãn).

- SCR coù khaû naêng töï giöõ traïng thaùi daãn neân coù theå ñieàu khieån baèng xung.


THÖÏC HAØNH Döïa vaøo moâ hình hai BJT, ta coù theå kieåm tra SCR baèng VOM ôû cheá ñoä ño ñieän trôû: - Caùc ñaàu AK vaø AG coù ñieän trôû voâ cuøng. - GK laø moái noái p-n coù ñieän trôû noái song song. Ñieän trôû naøy laøm taêng khaû naêng chòu aùp vaø choáng kích nhaàm (do nhieãu). Coù theå quan saùt ñöôïc moái noái vaø ñieän trôû song song naøy khi duøng VOM ôû taàm Rx1: Ño ñieän trôû GK khi ñaûo chieàu que ño seõ cho ra giaù trò khaùc nhau.

Vôùi VOM ño ohm baèng 2 pin, coù theå duøng taàm Rx1 vöøa phaân cöïc vöøa kích ñeå thaáy ñöôïc SCR daãn ñieän vaø giöõ.

2. Ñaëc tính tónh (volt – ampe):

Moâ taû quan heä IA(VAK) vôùi doøng IG khaùc nhau.

Treân hình II.3.3 cho ta sô ñoà thí nghieäm vaø ñaëc tuyeán volt – ampe cuûa SCR, trong ñoù EA thay ñoåi ñöôïc vaø doøng IG ñieàu khieån nhôøø bieán trôû VR. Ñaëc tính tónh SCR goàm caùc mieàn:

* VAK < 0 : Khoùa ngöôïc: Chaïy qua SCR laø doøng roø ngöôïc, côû mA. Khi VAK < - VRB ta coù hieän töôïng gaõy ngöôïc, doøng | IA | taêng raát cao trong khi VAK vaãn giöõ trò soá lôùn => SCR bò hoûng.

* VAK > 0 vaø IG = 0 : Khoùa thuaän: Ta coù laø doøng roø thuaän, cuõng côû mA. Khi VAK > VFB ta coù hieän töôïng gaõy thuaän: SCR chuyeån sang vuøng daãn ñieän do doøng roø thuaän ñaõ ñuû lôùn ñeå trôû thaønh doøng ñieåu khieån, kích daãn SCR.

Ta phaûi choïn ñònh möùc aùp cuûa SCR lôùn hôn caùc giaù trò gaõy naøy, heä soá an toaøn ñieän aùp thöôøng choïn lôùn hôn hay baèng 2.

Hình II.3.3 Ñaëc tính Volt-Ampe vaø maïch thí nghieäm.

Khi phaân cöïc thuaän, neáu IG taêng leân töø giaù trò 0, VFB giaûm daàn. Nhö vaäy, ta phaûi ñieàu khieån SCR baèng doøng IG ñuû lôùn ñeå SCR trôû thaønh ngaét ñieän ñieän töû: SCR chuyeån sang traïng thaùi daãn ngay khi ñöôïc kích baát chaáp ñieän aùp phaân cöïc thuaän luùc ñoù.

* Vuøng daãn ñieän: ÖÙng vôùi tröôøng hôïp SCR ñaõ ñöôïc kích khôûi khôûi vaø daãn ñieän, suït aùp qua SCR VAK = VF khoaûng 1 - 2 volt. Trong vuøng daãn ñieän coù hai ñaëc tröng doøng:

+ IL : doøng caøi, laø giaù trò toái thieåu cuûa IA ñeå SCR coù theå duy trì traïng thaùi daãn khi doøng cöïc coång IG giaûm veà 0 (do kích SCR baèng xung).

+ IH : doøng giöõ, laø giaù trò toái thieåu cuûa IA ñeå SCR coù theå duy trì traïng thaùi daãn ( khi khoâng coøn doøng cöïc coång IG. Neáu doøng anode thaáp hôn IH, SCR seõ trôû veà traïng thaùi khoùa.

IL khaùc IH vì coù quaù trình lan toûa cuûa doøng anode töø vuøng phuï caän cuûa cöïc G ñeán toaøn boä maûnh baùn daãn khi SCR ñöôïc kích (coù doøng cöïc coång), töông öùng maät ñoä doøng giaûm daàn, laøm cho heä soá khueách ñaïi doøng ñieän taêng. Quaù trình quaù ñoä naøy coøn aûnh höôûng ñeán giôùi haïn di/dt, ñöôïc


giôùi thieäu trong ñaëc tính ñoäng cuûa SCR.

Coù theå nhaän xeùt laø khi aùp nguoàn lôùn, ñaëc tính SCR töông töï nhö ñaëc tính ngaét ñieän baùn daãn lyù töôûng: suït aùp thuaän qua SCR khoâng ñaùng keå so vôùi aùp nguoàn vaø caùc doøng roø côû mA khoâng ñaùng keå so vôùi taûi coâng suaát.

ÖÙNG DUÏNG - SCR coù khaû naêng töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän neân coù theå ñieàu khieån baèng xung. Beà roäng xung kích SCR phaûi ñuû lôùn ñeå doøng qua SCR ñaït giaù trò caøi IL.

3. Ñaëc tính ñoäng (ñoùng ngaét):

Moâ taû quaù trình chuyeån ñoåi traïng thaùi cuûa SCR töø khoùa sang daãn ñieän (turn on) vaø töø daãn sang khoùa (turn off).

a. Ñaëc tính môû: ( turn on )

Coù thôøi gian treã ton töø khi caáp doøng kích IG ñeán khi SCR daãn. ton coù trò soá khoaûng moät vaøi micro giaây. ton giaûm khi IG taêng.

Moät thoâng soá khaùc lieân quan quaù trình môû laø giôùi haïn toác ñoä taêng doøng diA/dt. Toác ñoä taêng cuûa doøng qua SCR phaûi nhoû hôn giaù trò cho pheùp ñeå SCR khoâng bò hö hoûng vì quaù nhieät cuïc boä khi chöa kòp phaân boá laïi maät ñoä doøng ñieän qua noù. Ngöôøi ta thöôøng baûo veä SCR baèng caùch theâm cuoän khaùng noái tieáp vôùi anode, coù giaù trò khoaûng vaøi chuïc micro henry ñeå haïn cheá diA/dt.

Hình II.3.4.a. Ñaëc tính ñoäng : môû vaø khoùa cuûa SCR

Hình II.3.4.b. Caáu taïo SCR cöïc coång coù daïng phöùc taïp, phaân boá treân toaøn dieän tích mieáng baùn daãn ñeå taêng di/dt cho pheùp (hình 2).

Ñeå caûi thieän ñaëc tính ñoäng cuûa SCR, ngöôøi ta phaân boá cöïc coång G ra toaøn dieän tích maûnh baùn daãn. Hình II.3.4.b so saùnh hai caáu taïo cöïc coång, (1) laø daïng cöïc coång coå ñieån vaø (2) laø caáu taïo cho pheùp caûi thieän ñaëc tính ñoäng.

b. Ñaëc tính khoaù: (turn off)

- Moâ taû quaù trình khoùa SCR: Giaû söû SCR ñang daãn doøng taûi. Do ñaëc tính taûi hay moät taùc nhaân khaùch quan khaùc, doøng Anode giaûm veà khoâng, aùp AK töø VF chuyeån thaønh giaù trò aâm nhö hình III.3.4.a. Doøng Anode coù giai ñoaïn daãn ñieän ngöôïc tröôùc khi chuyeån sang traïng thaùi khoùa ngöôïc töông öùng vôùi vieäc giaûi phoùng caùc ñieän tích cuûa caùc moái noái ñöôïc tích luõy ôû cheá ñoä daãn. Sau ñoù ñieän aùp VAK döông ñöôïc ñaët trôû laïi, SCR khoâng daãn ñieän trôû laïi neáu quaù trình khoùa SCR coù keát quaû.

- Quaù trình khoùa SCR ñaët ra hai yeâu caàu quan troïng cho vieäc thieát keá maïch ÑTCS:

(2) (1)


+ Caàn coù thôøi gian ñaûm baûo taét toff ñeå SCR phuïc hoài khaû naêng khoùa tröôùc khi ñaët aùp döông trôû laïi. toff phuï thuoäc coâng ngheä cheá taïo SCR vaø giaûm khi trò soá aùp aâm khi khoùa taêng.

toff = [ 10 .. 50 ] micro giaây vôùi SCR taàn soá cao [ 100 .. 300 ] micro giaây vôùi SCR chænh löu. toff laø thoâng soá quan troïng ñeå tính toaùn maïch taét SCR khi söû duïng ôû nguoàn moät chieàu.

+ Coù giôùi haïn toác ñoä taêng du/dt cuûa ñieän aùp phaân cöïc thuaän ñeå SCR khoâng töï chuyeån sang cheá ñoä daãn. Coù theå giaûi thích hieän töôïng naøy khi xeùt caùc tuï ñieän moái noái. Doøng naïp tuï. du/dt cuõng chính laø doøng kích SCR.

C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; R1 taêng khi aùp SCR taêng vaø/hay doøng taûi giaûm, töø 20 – 100 ohm; C1 taêng khi doøng SCR taêng vaø/hay aùp SCR giaûm, töø 0.1 – 0.5 uF.

Hình II.3.5: Maïch baûo veä SCR khoûi caùc cheá ñoä kích daãn khoâng mong muoán.

Giôùi haïn du/dt cuûa SCR phuï thuoäc caáu taïo, taêng theo ñònh möùc aùp cuûa SCR. Maïch RC noái tieáp maéc song song AK cuûa SCR coù theå caûi thieän du/dt. Maïch snubber naøy cuõng coù taùc duïng choáng vieäc taïo ra quaù aùp do quaù trình phuïc hoài ngöôïc cuûa SCR, töông töï nhö ôû diod.

RC song song maéc ôû cöïc coång G coù taùc duïng haïn cheá khaû naêng SCR töï kích do nhieãu töø ngoaøi (hình II.3.5).

ÖÙNG DUÏNG - Neáu maïch baûo veä du/dt khoâng toát, SCR coù theå bò kích daãn ngay khi ñoùng ñieän nguoàn.

4. Ñaëc tính coång: (hay kích khôûi coång) Moâ taû caùc quan heä doøng aùp cuûa cöïc coång IG(VGK) cuûa SCR. Quan heä volt – ampe cuûa cöïc coång G laø moät qua heä coù tính thoáng keâ, ñöôïc moâ taû baèng 3 ñöôøng cong treân hình II.3.6: (1) laø ñaëc tính tieâu bieåu, (2) öùng vôùi ñieän trôû RGK beù, (3) öùng vôùi ñieän trôû RGK lôùn.

Caùc thoâng soá giôùi haïn (cöïc ñaïi) cuûa tín hieäu cöïc coång ñeå traùnh hö hoûng SCR: doøng IGmax, aùp

Hình II.3.6: Ñaëc tính coång SCR

VGmax vaø coâng suaát tieâu taùn trung bình PGmax cuûa cöïc coång (Coâng suaát tieâu taùn naøy coøn phuï thuoäc beà roäng xung kích SCR). Vaø nhö vaäy ñieåm laøm vieäc cuûa cöïc coång SCR phaûi naèm trong caùc giôùi haïn naøy, vuøng ñöôïc toâ trong hình II.3.6.

Caùc soå tay toùm taét thöôøng chæ cung caáp caùc thoâng soá giôùi haïn (beù nhaát) cho ñaûm baûo kích: VGT, IGT . Trong thöïc haønh, coù theå öôùc tính IGT baèng caùch söû duïng heä soá khueách ñaïi doøng cuûa SCR tính baèng tæ soá IA ñònh möùc chia cho IGT , heä soá naøy coù giaù trò töø 100 . . 200. Doøng kích SCR seõ choïn töø 1.5 . . 5 laàn giaù trò naøy, boäi soá naøy cao khi caàn ñoùng ngaét toát, kích baèng xung hay laøm vieäc ôû taàn soá cao.

GHI NHÔÙ - IGT laø doøng ñaûm baûo kích ñöôïc SCR, nhöng ta neân kích SCR baèng doøng lôùn hôn trò soá naøy.

- Nhôù maéc ñieän trôû vaøi traêm ohm song song cöïc coång SCR.

4. Caùc linh kieän khaùc trong hoï thyristor:


a. DARLISTOR:

Laø loaïi SCR coù caáu taïo noái taàng (cascade) ñeå taêng heä soá khueách ñaïi doøng IA / IG khi ñònh möùc doøng anode lôùn vaø raát lôùn (vaøi traêm ñeán vaøi ngaøn ampe). Luùc ñoù, doøng kích vaãn ôû vaøi ampe. Darlistor laø teân thöông maïi, nhaùi theo transistor noái taàng laø Darlington transistor. Moät soâùù nhaø saûn xuaát vaãn duøng teân SCR hay Thyristor, nhöng chuù thích laø cöïc coång ñöôïc khueách ñaïi (Amplified gate thyrirstor). Sô ñoà nguyeân lyù Darlistor cho ôû hình 1.7.

Hình II.3.7: Kyù hieäu cuûa caùc linh kieän hay gaëp cuûa hoï Thyristor.

b. TRIAC:

Laø linh kieïân phoå bieán thöù hai cuûa hoï thyristor sau SCR, coù maïch töông ñöông laø hai SCR song song ngöôïc, ñöôïc cheá taïo vôùi doøng ñònh möùc ñeán haøng ngaøn ampe. Maïch töông ñöông hai SCR song song ngöôïc hoaøn toaøn

Hình II.3.8 Ñaëc tuyeán V – I cuûa TRIAC vaø DIAC

töông thích vôi TRIAC khi khaûo saùt lyù thuyeát, neân chuùng thöôøng ñöôïc duøng thay theá cho nhau trong caùc sô ñoà nguyeân lyù maëc duø trong thöïc teá chuùng coù nhieàu tính chaát khaùc nhau. TRIAC coù khaû naêng khoùa theo hai chieàu, trôû neân daãn ñieän khi coù doøng kích vaø töï giöõ traïng thaùi daãn cho ñeán khi doøng qua noù giaûm veà khoâng. (Hình III.3.8)

TRIAC coù theå ñieàu khieån baèng doøng G – T1 ( coøn goïi laø MT1) caû hai cöïc tính vaø ôû hai chieàu doøng ñieän taûi laøm

Hình II.3.9 Hình daïng beân ngoaøi cuûa moät soá TRIAC (SCR cuõng töông töï )

sô ñoà ñieàu khieån ñôn giaûn hôn maïch töông ñöông hai SCR raát nhieàu.

Nhöôïc ñieåm raát quan troïng cuûa TRIAC laø deã bò töï kích ôû nhieät ñoä moái noái cao vaø coù giôùi haïn dv/dt raát thaáp, khoù laøm vieäc vôùi taûi coù tính caûm. Luùc ñoù, ngöôøi ta vaãn phaûi duøng hai SCR song song ngöôïc.

Baøi taäp: Do VT , IG ñeàu coù theå döông hoaëc aâm, suy ra TRIAC coù 4 cheá ñoä kích:

Cheá ñoä I: VT , IG > 0 Cheá ñoä II: VT > 0 , IG < 0

Cheá ñoä III: VT , IG < 0 Cheá ñoä IV: VT < 0 , IG > 0

Haõy döï ñoaùn vaø saép xeáp giaù trò doøng kích IG trong caùc cheá ñoä töø lôùn ñeán nhoû. Neáu chæ choïn moät doøng kích cho taát caû caùc cheá ñoä, ta neân choïn doøng kích vaøo hay ra cöïc coång?


c. DIAC:

Coù nguyeân taéc hoaït ñoäng töông töï nhö TRIAC nhöng khoâng coù cöïc coång G, ngöôõng ñieän aùp gaõy raát thaáp - thöôøng laø 24 V, ñöôïc duøng trong caùc maïch phaùt xung vaø kích thyristor vôùi doøng xung moät vaøi ampe.

d. LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích baèng tia saùng.

Coù nguyeân taéc laøm vieäc nhö SCR nhöng ñöôïc kích baèng doøng quang ñieän. Thay vì cung caáp doøng cöïc coång ñeå kích khôûi, ngöôøi ta roïi saùng LA SCR qua cöûa soå hay oáng daãn sôïi quang. LASCR raát thích hôp cho caùc öùng duïng cao aùp, khi caùch ñieän giöùa maïch kích vaø ñoäng löïc trôû neân vaán ñeà phöùc taïp, giaûi quyeát toán keùm.

e. GTO: ( Gate turn off SCR, SCR taét baèng cöïc coång ).

Vôùi khaû naêng töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän, SCR khoâng theå töï taét ôû nguoàn moät chieàu neáu maïch khoâng coù sô ñoà ñaëc bieät ñeå doøng qua noù giaûm veà khoâng. GTO cho pheùp ngaét SCR baèng xung aâm ôû cöïc coång. Töø maïch töông ñöông hai BJT (hình II.3.2), khaû naêng naøy coù theå ñöôïc döï ñoaùn. Nhöng trong thöïc teá, SCR khoâng theå taét baèng coång vì cöïc coång chæ moài cho quaù trình daãn, sau ñoù khoâng coøn taùc duïng.

GTO coù caáu taïo khaùc hôn, cho pheùp cöïc coång kieåm soaùt keânh daãn ñieän cuûa SCR. Giaù phaûi traû laø heä soá khueách ñaïi doøng khi kích giaûm xuoáng, coøn khaù beù - khoaûng vaøi chuïc. Heä soá khueách ñaïi doøng khi taét xaáp xæ 10. Ngöôøi ta ñaõ cheá taïo ñöôïc GTO coù doøng ñònh möùc ñeán haøng ngaøn ampe.

Trong thôøi gian gaàn ñaây, vieäc söû duïng MOS (baùn daãn coù caùc lôùp oxit kim loaïi) vaø söï phaùt trieån coâng ngheä vi ñieän töû ñeán ñænh cao cho pheùp cheá taïo haøng loaït linh kieän môùi trong hoï Thyristor coù khaû naêng taét baèng cöïc coång hieäu quaû hôn GTO. Ñieàu naøy môû ra caùc höôùng môùi cho caùc boä bieán ñoåi, nhaát laø caùc boä bieán ñoåi duøng nguoàn ñieän löôùi.

II.4 MAÏCH LAÙI NGAÉT ÑIEÄN BAÙN DAÃN:

Hình II.4.1 Sô ñoà khoái boä ñieàu khieån maïch ñieän töû coâng suaát

Boä ñieàu khieån maïch ñieän töû coâng suaát goàm hai khoái: khoái ñieàu khieån vaø maïch laùi.

Khoái ñieàu khieån goàm boä ñieàu khieån voøng kín xöû lyù tín hieäu ñaët vaø phaûn hoài töø taûi cuûa boä bieán ñoåi, thoâng qua maïch phaùt xung ñeå ñieàu khieån boä bieán ñoåi hoaït ñoäng theo cheá ñoä ñöôïc thieát keá. Boä ñieàu khieån voøng kín laøm chöùc naêng hieäu chænh heä thoáng töï ñoäng. Maïch phaùt xung xöû lyù tín hieäu ra cuûa boä ñieàu khieån voøng kín, coù theå laø moät soá (ñieàu khieån soá) hay ñieän aùp (ñieàu khieån baèng vi maïch töông töï) thaønh daïng xung ñieàu khieån caùc ngaét ñieän cuûa BBÑ. Caùc boä bieán ñoåi khaùc nhau seõ coù sô ñoà phaùt xung khaùc nhau nhöng coù theå duøng chung sô ñoà ñieàu khieån voøng kín.

Maïch laùi coù caùc nhieäm vuï:

- Khueách ñaïi tín hieäu ngoû ra maïch phaùt xung ñeå ñaûm baûo caùc linh kieän coâng suaát baûo hoøa.

- Söûa daïng xung cho thích hôïp vôùi linh kieän coâng suaát, caûi thieän ñaëc tính ñoùng ngaét.


- Gheùp noái giöõa maïch ñieàu khieån vaø maïch ñoäng löïc. Trong nhieàu tröôøng hôïp, ta caàn caùch ly ñieän giöõa hai boä phaän naøy cuûa boä bieán ñoåi. Söï caùch ly naøy coù theå nhaèm ñaõm baûo an toaøn cho ngöôøi vaän haønh vaø thieát bò, taêng cöôøng khaû naêng choáng nhieãu khi maïch ñoäng löïc noái tröïc tieáp vôùi löôùi ñieän hay vì caùc linh kieän coâng suaát khoâng coù ñieåm ñaát chung.

1. Maïch laùi BJT coâng suaát:

Ñoái vôùi BJT coâng suaát, maïch laùi coù nhieäm vuï:

- Cung caáp bieân ñoä doøng IB ≥ IC /β ñeå baûo hoøa.

- Caûi thieän quaù trình ñoùng ngaét baèng caùch: + Giaûm tON baèng caùch cöôõng böùc doøng cöïc neàn cho BJT luùc ban ñaàu. + Giaûm tOFF khi khoâng cho BJT baûo hoøa saâu baèng caùch giöõ vCE khoâng quaù beù (cung caáp IB vöøa ñuû) vaø cung caáp phöông tieän giaûi phoùng ñieän tích moái noái BE ñaõ ñöôïc naïp khi BJT daãn ñieän.

Hai yeâu caàu treân coù theå giaûi thích khi xem nhö moái noái BE coù moät ñieän dung. Tuï ñieän moái noái naøy caàn ñöôïc naïp, xaû ñeå BJT coù theå ñoùng, ngaét maïch ñieän.

Khi maïch ñieàu khieån noái tröïc tieáp vôùi maïch ñoäng löïc, maïch laùi BJT laø moät maïch khueách ñaïi doøng ñieän. Coù theå söû duïng caùc bieän phaùp sau ñeå taêng chaát löôïng ñoùng ngaét:

* Duøng ñieän trôû cöïc B (R1 ôû hình II.4.2.a):

R1 coù hai chöùc naêng: ñaõm baûo giaûi phoùng ñieän tích moái noái BE ñeå laøm BJT khoùa nhanh hôn hay traùnh caùc tröôøng hôïp daãn ñieän khoâng mong muoán khi khoâng coù tín hieäu ñieàu khieån do caùc ñieän tích moái noái.

Doøng qua R1 ñöôïc choïn töø 1/10 ñeán ½ cuûa doøng iB, phuï thuoäc khaû naêng cung caáp doøng cuûa VBB. R1 caøng giaûm thì hieäu quaû caøng cao nhöng tieâu thuï doøng lôùn hôn.

- VCC

VCC

(a) (b) (c) (d)

QR2

VBB C

R3

Q1

Q2

R1

R2

D

Q

Q2

Q1

1uF

2.2kQT

R1

Hình II.4.2 Caùc daïng maïch laùi * Duøng tuï gia toác (hình II.4.2.a): Tuï ñieän C seõ ngaén maïch R2 ôû caïnh leân cuûa VBB, cöôõng böùc doøng cöïc neàn cuûa Q laøm giaûm tON . Khi C ñöôïc naïp ñaày, doøng cöïc neàn giaûm xuoáng – vì ñieän trôû cöïc B trôû thaønh R3 + R2, chuaãn bò cho quaù trình khoùa toát hôn. Khi VBB xuoáng 0, tuï ñieän C seõ taïo ra aùp aâm ôû cöïc neàn transistor Q, giaûi phoùng caùc ñieän tích moái noái BE. Ñieàu naøy, moät laàn nöõa, caûi thieän quaù trình khoùa BJT.

* Söû duïng transistor Darlington (hình II.4.2.b):

Transistor Darlington laøm taêng heä soá khueách ñaïi doøng ñieän, cho pheùp giaûm doøng cung caáp cuûa maïch ñieàu khieån trong khi caàn ñoùng ngaét doøng taûi lôùn.

Ngoaøi ra, caùch noái Darlington coøn töï ñoäng ñieàu chænh doøng cöïc neàn, giöõ cho ñieän aùp baûo hoøa cuûa BJT coâng suaát khoâng beù hôn ñieän theá moái noái pn vaø nhö vaäy cuõng caûi thieän quaù trình khoùa. Thöïc vaäy, khi vCE cuûa Q2 beù hôn ñieän theá moái noái pn, moái noái BC cuûa Q1 seõ bò phaân cöïc thuaän vaø reõ doøng cöïc B cuûa noù, transistor Q1 khoâng khueách ñaïi tieáp tuïc. Hình II.4.2.b laø sô ñoà ñaày ñuû cuûa moät khoái (module) darlington transistor coù caùc phaàn töû phuï.


* Maïch laùi tæ leä (hình II.4.2.c):

Bieán aùp T laøm hai nhieäm vuï: caùch ly maïch ñieàu khieån vaø maïch coâng suaát, laùi transistor Q theo tæ leä doøng cöïc C cuûa noù. Bieán aùp T coù moät cuoän sô caáp, noái vôùi maïch ñieàu khieán, moät cuoän thöù caáp duøng ñeå laùi transistor vaø cuoän doøng ñieän coù raát ít voøng laøm nhieäm vuï laùi tæ leä.

Ñeå kích daãn Q, sô caáp T coù xung. Q daãn ñieän laøm coù doøng qua cuoän doøng ñieän cuûa bieán aùp T, doøng naøy ñöôïc phaûn hoài trôû laïi cöïc B ñaûm baûo cung caáp doøng iB . Nhö vaäy maïch ñieàu khieån chæ coù nhieäm vuï moài, bieán aùp cung caáp doøng laùi transistor tæ leä vôùi doøng taûi cöïc C.

* Maïch laùi tích cöïc (hình II.4.2.d):

Transistor coâng suaát npn ñöôïc laùi bôûi hai transistor: moät cung caáp doøng vaøo cöïc B cho kích daãn vaø moät noái ñieän aùp aâm ñeå cuôõng böùc taét. Ñieän aùp aâm cho khoùa BJT thöôøng choïn khoaûng 5 volt. Maïch naøy tuy phöùc taïp nhöng raát hieäu quaû, cho pheùp taêng taàn soá laøm vieäc cuûa BJT ñeán toái

ña.

* Maïch laùi caùch ly duøng boä gheùp quang hoïc (opto – coupler, teân thoâng duïng laø optron): optron laø boä truyeàn tín hieäu ñieän caùch ly baèng quang. Khi diod phaùt quang (LED) coù doøng, noù phaùt saùng (hoàng ngoaïi) laøm linh kieän quang ñieän (ôû ñaây laø transistor quang) daãn ñieän. Ñeå laùi BJT, ta caàn maïch khueách ñaïi doøng gheùp

Hình II.4.2.e Maïch laùi caùch ly duøng OPTRON

tröïc tieáp vôùi nguoàn ñoäc laäp coù daïng nhö nhöõng maïch ñaõ ñöôïc giôùi thieäu.

Coù theå thaáy laø maïch caùch ly duøng OPTRON naøy coù theå duøng ñeå truyeàn tín hieäu xung coù ñoä roäng baát kyø giöõa hai heä thoáng caùch ly ñieän vôùi nhau, chæ coù giôùi haïn do thôøi gian treå cuûa optron, töø vaøi micro giaây ôû linh kieän toác ñoä cao (PS521) ñeán vaøi chuïc micro giaây ôõ loaïi thöôøng (PS817).

GHi NHÔÙ - RBE luoân caàn thieát cho transistor ôû cheá ñoä ñoùng ngaét.

2. Maïch laùi MOSFET coâng suaát vaø IGBT:

MosFET coâng suaát, IGBT coù caùc öu ñieåm: taàn soá ñoùng ngaét cao hôn BJT vì keânh daãn ñieän khoâng coù moái noái, maïch laùi ñôn giaûn hôn vì ñieàu khieån baèng aùp.

Ñeå ñaõm baûo transistor baûo hoøa, aùp ñieàu khieån cöïc coång caàn treân 10 volt (giôùi haïn gaây hö hoûng laø 20 volt). Caùc linh kieän seõ taét vôùi aùp ñieàu khieån baèng 0 hay ñieän theá aâm (- 10V).

4001

1

23

MosFET

100

3k3

Hình II.4.3.a: Laùi MosFET töø vi mach CMOS 12V

Hình II.4.3.a cho ta sô ñoà laùi tröïc tieáp MosFET töø vi maïch CMOS caáp nguoàn 12V. Ñieän trôû 100 ohm duøng ñeå caùch ly hai phaàn töû, ñieän trôû 3k3 ñaûm baûo tuï ñieän CGS cuûa MosFET luoân ñöôïc xaû.

Hình (b) cho ta maïch laùi MosFET caùch ly duøng optron. Tín hieäu ñieàu khieån MosFET laáy töø vi xöû lyù duøng nguoàn 5V noái vaøo diod phaùt quang (LED) cuûa optron. Khi LED ñöôïc caáp doøng, noù chieáu saùng transistor quang laøm phaàn töû naøy daãn ñieän, cung caáp aùp cao vaøo cöïc coång MosFET. Diod oån aùp 12V baûo veä quaù aùp cöïc coång do ôû ñaây söû duïng nguoàn 24V. Trong tröôøng hôïp naøy, optron duøng ñeå caùch ly vaø ñoåi möùc logic. Caùc haõng ñaõ cheá taïo nhöõng vi maïch keát hôïp


optron vaø maïch laùi (laùi tích cöïc vôùi hai nguoàn) ñeå ñôn giaûn hoùa caùc sô ñoà laùi transistor coâng suaát.

5v 24v

Töø VXL

OPTO

12

43

3301k

3k3

MosFET

12v

220p

100 MosFET

22D

330/3w

22k

Xung0..15V

Q4d471

Q3b562

R14

R

R133k3

R83k3

12v

Q2c945

R9100

R12

220

Q5

R10220

(b) (c) (d)

Hình II.4.3: (b) Duøng OPTRON ñeå caùch ly vaø ñoåi möùc aùp 12V ; (c) Duøng vi maïch laùi; (d) Maïch laùi tích cöïc.

Ñeå ñaït taàn soá ñoùng ngaét lôùn, maïch laùi MOSFET cuõng coù yeâu caàu töông töï nhö maïch laùi BJT do taùc duïng cuûa tuï ñieän cöïc coång CGS . Tuï ñieän naøy caàn ñöôïc naïp ñaày khi môû MOSFET vaø xaû veà khoâng khi taét. Khaùc vôùi BJT, maïch laùi chæ coù doøng trong cheá ñoä quaù ñoä vaø aùp laøm vieäc cao. Hình II.4.3.c noái MosFET vôùi IC ñieàu khieån chuyeân duøng cho thaáy doøng qua cöïc coång MosFET raát ñöôïc chuù troïng. Ngoû ra cuûa vi maïch naøy cuõng laø moät taàng laùi tích cöïc (töông töï nhö ôû BJT).

Hình II.4.3.d söû duïng caùc linh kieän rôøi ñeå thöïc hieän maïch laùi tích cöïc . Q4 cung caáp doøng naïp tuï CGS vaø Q3 duøng ñeå xaû laøm cho Q5 ñoùng ngaét toát hôn. Trong nhöõng maïch chaát löôïng cao hôn, moät nguoàn aâm ñöôïc söû duïng ñeå coù theå xaû ñieän tích cöïc coång toát hôn.

Caùc haõng cheá taïo baùn daãn coâng suaát ñaõ cheá taïo nhöõng module bao goàm linh kieän coâng suaát, maïch laùi vaø baûo veä laøm coâng vieäc cuûa nhaø thieát keá BBÑ trôû neân ñôn giaûn.

THÖÏC HAØNH - Sau khi duøng VOM (thang ño Rx1 hay diod) phaân cöïc thuaän cöïc coång MosFET (moái noái GS) hay IGBT (moái noái GE), khi ño tieáp keânh DS (MosFET) hay CE (IGBT) seõ thaáy ñieän trôû xuoáng thaáp. Ñoù laø do tuï ñieän cöïc coång vaãn coøn löu giöõ ñieän aùp ñieàu khieån, caàn phaûi xaû noù ñi ñeå phuïc hoài traïng thaùi goác cuûa linh kieän.

GHi NHÔÙ - neân söû duïng transistor Darlington hay MosFET thay cho BJT trong caùc öùng duïng ñoùng ngaét.

- Xung bieân ñoä 5V coù theå khoâng laøm MosFET (IGBT) daãn ñieän toát.

3. Maïch laùi SCR vaø thyristor: Gioáng nhö maïch laùi transistor, maïch laùi thyristor cuõng coù hai nhieäm vuï laø ñaõm baûo thoâng soá tín hieäu ñieàu khieån cöïc coång (ña soá tröôøng hôïp laø doøng ñieän) vaø caùch ly maïch ñoäng löïc – ñieàu khieån. a. Maïch laùi tröïc tieáp thyristor: Ñaây laø maïch khueách ñaïi doøng, vì aùp cöïc coång VGT cuûa SCR khaù beù, khoaûng 2-3 volt trong khi doøng kích coång coù theå ñeán 5 ampe cho SCR coù doøng anod vaøi traêm ampe. Treân hình II.4.4, ta coù maïch theo phaùt (taûi cöïc phaùt). Coù theå söû duïng theâm caùc taàng khueách ñaïi transistor gheùp tröïc tieáp vaø tuï gia toác khi yeâu caàu doøng cöïc coång lôùn.

6V

XUNG DK

SCRR?RC1

0.1 uF

R52.2 ohm

R2220

R3100

R1100

R42.2 ohm

Q1C1061

Hình II.4.4 Maïch laùi tröïc tieáp thyristor

b. Kích SCR xung heïp baèng bieán aùp xung:


(a)

VCC

D2

D1

3k3

3k3

3k3

Q1

BAX

3.3 ohm

D247n

100SCR

(b)

Hình II.4.5 Maïch kích SCR baèng bieán aùp xung.

Hình II.4.5.a vaø (b) trình baøy caùc daïng soùng vaø maïch khueách ñaïi xung vaø gheùp vôùi SCR. Caùc diod D1, D2 , transistor Darlington Q1 thöïc hieän haøm OR (hai ngoû vaøo) vaø khueách ñaïi doøng. Bieán aùp xung BAX noái ôû cöïc thu C cuûa transistor qua ñieän trôû haïn doøng 3.3ohm. Nguoàn VCC coù theå laø 24V vaø tæ soá giaûm aùp cuûa BAX laø 4 :1 (bieân ñoä xung ôû thöù caáp coøn khoaûng 5V) ñeå giaûm doøng qua transitor vaø nguoàn caáp ñieän. Tuï ñieän 47 nF vaø ñieän trôû 100 ohm noái caøng gaàn SCR caøng toát ñeå choáng nhieãu khi daây noái maïch ñieàu khieån vaø SCR daøi. Caùc thoâng soá treân coù theå duøng cho SCR coù ñònh möùc trung bình doøng ñeán 250 A.

Khi Q1 baûo hoøa, aùp nguoàn VCC coù theå xem nhö ñaët vaøo sô caáp bieán aùp. Doøng töø hoùa cuoän sô caáp xuaát hieän, taêng theo haøm muõ. Töø thoâng trong loõi bieán aùp thay ñoåi taïo ra ñieän aùp caûm öùng ở thöù caáp vaø doøng kích cho SCR. Nhö vaäy, doøng qua cuoän sô caáp bieán aùp seõ goàm doøng töø hoùa vaø doøng phaûn aûnh töø thöù caáp. Khi beà roäng xung ñuû beù, loõi theùp bieán aùp chöa baûo hoøa vaø ta coù ñieän theá vaø doøng ñieän caûm öùng ôû thöù caáp. Khi Q1 taét, doøng töø hoùa bieán aùp phoùng qua diod phoùng ñieän D2 vaø giaûm veà töø töø khoâng.

Nhö vaäy bieán aùp xung chòu töø hoùa moät cöïc tính vaø caàn phaûi thieát keá sao cho khoâng baûo hoøa. Khi beà roäng xung taêng cao, doøng töø hoùa taêng cao laøm loõi theùp bò baûo hoøa vaø khi doù töø thoâng khoâng coøn thay ñoåi, aùp caûm öùng ôû thöù caáp giaûm ñeán baèng khoâng. Xung thöù hai cuûa hình II.4.5.a cho thaáy aùp thöù caáp bò giaûm vaø Q1 heát coøn baûo hoøa khi ñoä roäng xung taêng leân. Hieän töôïng naøy cuõng xaûy ra khi ta coù chuoãi xung vaø doøng töø hoùa chöa veà khoâng thì ñaõ coù xung keá tieáp.

Nhö vaäy bieán aùp xung chæ coù theå truyeàn ñöôïc xung heïp, khi thôøi gian xung khaù beù so vôùi thôøi gian nghæ. Beà roäng xung kích SCR cuûa sô ñoà chænh löu khoaûng 1 mili giaây.

Höôùng daãn thöïc haønh cho thieát keá bieán aùp xung: Coù theå tính toaùn vaø cheá taïo BAX nhö bieán aùp thoâng thöôøng vôùi moät soá löu yù: Choïn maät ñoä töø thoâng thaáp vaø vaät lieäu töø ít toån hao (nhö ferrite). Chu kyø cuûa tín hieäu töø hai ñeán ba laàn beà roäng xung. Ñieäân aùp cho cuoän daây coù theå laáy baèng bieân ñoä xung vaø neáu truyeàn chuoãi xung thì ñoä roäng xung töông ñoái (Txung / chu kyø T) khoâng neân lôùn hôn 1/3. Coù theå phaûi thay ñoåi maïch phoùng ñieän (diod D2) ñeå tieâu hao naêng löôïng doøng töø hoùa nhieàu hôn ñeå doøng ñieän naøy choùng veà khoâng.

c. Kích SCR baèng xung roäng:

Trong raát nhieàu tröôøng hôïp, xung heïp khoâng ñaùp öùng ñöôïc caùc öùng duïng. Coù theå kích xung roäng (lôùn hôn vaøi mili giaây) baèng caùc phöông phaùp: noái tröïc tieáp, gheùp baèng bieán aùp xung vaø optron. Khi duøng bieán aùp xung, coù hai phöông aùn sau:


- Söû duïng SCR phuï nhö hình II.4.6.a. Bieán aùp kích xung coâng suaát beù cho SCR phuï (doøng vaøi ampe). Maïch ñieän phuï naøy laáy nguoàn töø pha löôùi sao cho cung caáp ñieän aùp döông khi SCR phaân cöïc thuaän.

- kích baèng chuoãi xung, beà roäng töø vaøi chuïc ñeán vaøi traêm micro giaây hình II.4.6.b. nhöng ôõ thöù caáp bieán aùp duøng chænh löu diod ñeå bieán thaønh xung roäng trôû laïi – hình ( c). Doøng töø hoùa cuõng ñöôïc taän duïng nhôø diod phoùng ñieän D25. Ñieàu baát lôïi cuûa sô ñoà naøy laø söôøn leân cuûa xung cöïc coång SCR coù ñoä doác keùm vì caàn coù tuï loïc C22 ôû ngoû ra chænh löu.

AÙp pha

220/9 VAC

47n

SCR100

SCR P

22

BAX

BAX

Hình II.4.6 (a)

ÑK

Dao ñoäng

T1

TRANSCT

D23

D25R36

3.3

C222u2

R37

100

SCR

Q1

3k3

3k3

D19

24VX

(b)

Duøng optron vaø nguoàn moät chieàu phuï coù sô ñoà nguyeân lyù nhö hình II.4.6.c. Khi LED cuûa optron coù doøng, noù chieáu saùng laøm photo transistor daãn ñieän. Q1 coù doøng cöïc B ñuû lôùn, trôû neân baûo hoøa, noái ñieän trôû 1k xuoáng 0 volt. Q2 baûo hoøa noái nguoàn 9v qua ñieän trôû 33 ohm kích SCR.

c. Kích TRIAC baèng optron triac hoï MOC:

9V

47n100

SCR

12

43

6K8 Q1

330

Q2

33

1k

2k2

Q

Hình II.4.6.c Kích SCR caùch ly duøng optron

Coù theå ñieàu khieån TRIAC coâng suaát beù (doøng ñònh möùc vaøi chuïc A) baèng caùc optron hoï MOC cuûa haõng Motorola. Ngoû ra optron laø phototriac coù aùp khoaù ñeán 400 volt, doøng vaøi chuïc mA cho pheùp kích TRIAC tröïc tieáp ôû ñieän 220 VAC

Hình II.4.7.a Maïch nguyeân lyù kích TRIAC doøng OPTRON vaø caùc thoâng soá


Höôùng daãn söû duïng OPTRON hoï MOC (cuûa Motorola) ñeå laùi TRIAC.

Hình II.4.7.b Ñaëc tính OPTRON TRIAC hoï MOC

NHAÄN XEÙT - Bieán aùp xung laø phaàn töù kích SCR raát hieäu quaû: caùch ly ñieän, khueách ñaïi doøng, nhöng chæ truyeàn ñöôïc xung heïp.

4. Maïch laùi MOSFET coâng suaát coù baûo veä doøng:

Hình II.4.8 ñöôïc trích töø moät taïp chí ñieän töû coâng nghieäp ñeå tham khaûo moät maïch laùi MosFET coâng suaát coù baûo veä doøng. Ñoäng cô moät chieàu M laø taûi cuûa BBÑ xung ñieän aùp vôùi ngaét ñieän laø MosFET 12A / 60V, maõ hieäu IRF131. Taùc ñoäng baûo veä doøng ñöôïc thöïc hieän qua R - S Flip Flop. Nguyeân lyù naøy coøn gaëp trong caùc vi maïch ñieàu khieån boä nguoàn xung.

+V

OPTRON

VI PHAÂNRS FF

COÅNG

SO SAÙNH

R -Q

S Q

M

D

SHUNT

Q

Imax

ÑK

(a)

+V

15v 15v

123

4

5

6

7ferrite io

C

OPTRON

12

43

33010K

1k1nF

0.33 ohm

100

IRF131

2N2222

220

1K

MD

(b) R - S flip flop, ñöôïc set ôû moãi ñaàu chu kyø ñoùng ngaét vaø reset khi doøng vöôït quaù giaù trò cho pheùp. Nhö vaäy khi coù quaù doøng, MosFET seõ bò khoùa ngay, nhöng laïi ñöôïc cho pheùp ôû chu kyø ñoùng ngaét keá tieáp.

Keát quaû laø khi coù quaù doøng, ñoä roäng xung töông ñoái seõ giaûm ñeå haïn cheá doøng cöïc ñaïi. Caùc daïng soùng cho ôû hình II.4.8.c: 4: ngoû ra coång NAND 4, laø tín hieäu ñieàu roäng xung töø maïch ñieàu khieån, qua optron.

3: ngoû ra coång NAND 3, tín hieäu set cuûa RS flip flop.

C: cöïc C cuûa BJT 2N2222, xuoáng thaáp khi doøng vöôït quaù giaù trò ñaët xaùc ñònh baèng bieán trôû 100 ohm, noái song song vôùi shunt 0.33 ohm ñeå laáy tín hieäu doøng iO.

7: tín hieäu cöïc coång MosFET.

t

t

tt

4

3

C i

7

o

(c)

Hình II.4.8 Maïch laùi mosFET coù baûo veä doøng


Caùc coång NAND 6, 1, 2, 7 söû duïng CD4011 laø CMOS caáp ñieän 15V, laùi tröïc tieáp MosFET baèng daây daãn ñi qua oáng ferrite ñeå choáng dao ñoäng vaø nhieãu taàn soá cao, ôû vò trí cuûa 7 coù theå duøng coång NAND song song ñeå taêng khaû naêng taûi doøng. Caùc coång 4, 3, 5 laø caùc coång NAND Smit-tri-gô CD4093 cho pheùp söûa daïng xung. Caùc haõng ñaõ cheá taïo nhöng vi maïch ñieàu khieån boä bieán ñoåi coù tích hôïp maïch haïn cheá doøng coù nguyeân lyù laøm vieäc töông töï.

5. Vi maïch laùi ½ caàu MOSFET:

Hai transistor noái tieáp nhau ñeå maéc vaøo cöïc +/- nguoàn ñöôïc goïi laø nöûa (1/2) caàu (hình II.4.9). Vì nöûa caàu laø phaàn töû cô baûn trong caùc boä bieán ñoåi söû duïng nguoàn moät chieàu (chöông 4, 5), caùc haõng cheá taïo ñieän töû ñaõ cheá taïo ra caùc vi maïch laùi nöûa caàu, ví duï nhö IR 2151 cuûa haõng International Rectifier nhö hình II.4.9.

Hình (a) laø sô ñoà nguyeân lyù öùng duïng vaø hình (b) cho ta caáu taïo beân trong. IR2151 bao goàm boä dao ñoäng ñeå taïo xung ñieàu khieån, maïch laùi hai mosFET bao goàm caû phaàn taïo ra vuøng cheát 1.3 microsec ñeå choáng vieäc hai ngaét ñieän truøng daãn.

(a)

(b)

Hình II.4.9: vi maïch IR2151 ñeå laùi ½ caàu trong sô ñoà ballast ñieän töû. BAØI TAÄP 1. Söû duïng moät chöông trình moâ phoûng ñeå thöû nghieäm hai maïch BA xung sau (töï choïn linh kieän):


2. Tính doøng kích cho SCR theo maïch hình beân khi cho bieát: β baõo hoøa cuûa Q1 vaø Q2 laàn löôït laø 40 vaø 20, tæ soá truyeàn doøng (doøng qua BJT/doøng qua LED) baèng 50%, aùp caáp cho maïch sô caáp optron 5 V.

9V

47n100

SCR1

2

43

6K8 Q1

330

Q2

33

1k

2k2

Q

3. Tính toån hao coâng suaát cuûa moät transistor coù cheá ñoä laøm vieäc sau: ñoùng ngaét lieân tuïc vôùi ton = toff = 20 usec ôû aùp nguoàn baèng 200 V, doøng taûi 15 A. Transistor coù aùp baûo hoøa baèng 2 V, doøng roø khi khoùa baèng 1 mA vaø naêng löôïng toån hao cho 1 laàn ñoùng ngaét baèng 0.8 mJ. Cho nhaän xeùt veà toån hao coâng suaát naøy khi taàn soá ñoùng ngaét thay ñoåi. 4. Duøng moät chöông trình moâ phoûng maïch ñieän töû ñeå veõ daïng doøng kích SCR, coù theå thay BJT C1061 baèng linh kieän töông töï coù β baõo hoøa baèng 20, ICmax baèng 3 A, nguoàn xung ñaàu vaøo coù bieân ñoä 5 V, ñoä roäng 100 usec vaø noäi trôû xem nhö baèng 0. Ngoaøi ra, trong hình R = 1kOhm.

6V

XUNG DK

SCRR?RC1

0.1 uF

R52.2 ohm

R2220

R3100

R1100

R42.2 ohm

Q1C1061

Documents

Chuong 2 Linh Kien DTCS