Điện tử công suất 1 Chương một Các linh kiện bán dẫn

h tác động kéo dài hoặc tần số xung điều khiển thấp, biến áp xung sớm đạt trạng thái bão hòa và ngõ ra của nó không thỏa mãn yêu cầu điều khiển. Optron: gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (ILED) và mạch thu dùng phototransistor. Tín hiệu xung điều khiển được đưa vào LED và ngõ ra được dẫn từ phototransistor (H1.10). 1-10 Điện tử công suất 1 Thời gian ton của phototransistor khoảng 2-5µs, toff = 300ns. Mạch dùng optron đòi hỏi phải tạo nguồn riêng cho nó. Do đó, mạch phức tạp và tốn kém hơn. Mạch bảo vệ BJT Dạng mạch bảo vệ BJT tiêu biểu được vẽ trên hình H1.11. Tác dụng của mạch nhằm bảo vệ transistor trước các hiện tượng tăng quá nhanh của điện áp dt du và dòng điện dt di− qua transistor. Mạch RC có tác dụng hạn chế độ dốc dt du giữa hai cực CE. Cuộn kháng LS thực hiện giảm sự tăng nhanh dòng dt di qua BJT. 1.4 - MOSFET (METAL - OXIDE - SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR) Lọai transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp được gọi là Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) với cổng điều khiển bằng điện trường (điện áp). MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kW) và không thích hợp sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn. Tuy nhiên, linh kiện MOSFET khi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải công suất lớn. MOSFET có hai lọai pnp và npn. Trên hình H1.12 mô tả cấu trúc MOSFET lọai npn. Giữa lớp kim lọai mạch cổng và các mối nối n+ và p có lớp điện môi silicon oxid SiO. Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển kích đóng ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng. Khi điện áp dương áp đặt lên giữa cổng G và Source, tác dụng của điện trường (FET) sẽ kéo các electron từ lớp n+ vào lớp p tạo điều kiện hình thành một kênh nối gần cổng nhất, cho phép dòng điện dẫn từ cực drain (collector) tới cực Source (emitter). MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn. Do đó, công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn. 1-11 Điện tử công suất 1 Đặc tính V-A linh kiện loại n được vẽ trên hình H1.12, có dạng tương tự với đặc tính V-A của BJT. Điểm khác biệt là tham số điều khiển là điện áp kích UGS thay cho dòng điện kích IBE. MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS. Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục. Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển không đáng kể trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng. Lúc đó xuất hiện dòng phóng và nạp điện cho tụ của mạch cổng. Thời gian đóng ngắt rất nhỏ, khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện. Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện Ron thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện. Do đó, các linh kiện MOSFET thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít. Tuy nhiên, do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với định mức áp từ 300V- 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz. MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục amper và với mức điện áp vài trăm volt với dòng cho phép đến khoảng 100A. Điện áp điều khiển tối đa 20V (2V,5V,10V.. tùy theo loại), mặc dù thông thường có thể dùng áp đến 5V để điều khiển được nó. ± Các linh kiện MOSFET có thể đấu song song để mở rộng công suất. Mạch kích MOSFET Để giảm thời gian kích đóng ton của MOSFET ta có thể sử dụng dạng mạch (H1.13a) Khi tác dụng điện áp uG , dòng điện tích điện ban đầu cho tụ mạch cổng G: S G G R UI = Sau đó điện áp xác lập trên cổng là GS GG GS RRR RUU ++= 1 . RS là điện trơ ûtrong của mạch kích. 1-12 Điện tử công suất 1 Sơ đồ mạch kích được cải thiện trên hình H1.13b sử dụng cấu trúc totem-pole gồm 2 transistor NPN và PNP. Khi điện áp kích U1 ở mức cao, Q1 dẫn và Q2 khóa làm MOSFET dẫn. Khi tin hiệu U1 thấp, Q1 ngắt, Q2 dẫn làm các điện tích trên mạch cổng được phóng thích và MOSFET trở nên ngắt điện. Tín hiệu U1 có thể lấy từ mạch collector mở (open- collector TTL) và totem-pole đóng vai trò mạch đệm (buffer). Tương tự như BJT, mạch kích cổng G của MOSFET có thể được cách ly với mạch tạo tín hiệu điều khiển thông qua biến áp xung, optron hoặc cáp quang (H1.14a,b). Mạch bảo vệ MOSFET Cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm cho linh kiện hoạt động tốt mà không cần bảo vệ nhiều như BJT. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng mạch RC nhỏ mắc song song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng các gai điện áp và các xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đóng. Bảng 1.2 Các thông số đặc trưng của MOSFET Lọai Điện áp định mức lớn nhất Dòng trung bình định mức Ron Qg (đặc trưng) IRFZ48 60V 50A 0.018Ω 110nC 1-13 Điện tử công suất 1 IRF510 100V 5.6A 0.54Ω 8.3nC IRF540 100V 28A 0.077Ω 72nC APT10M25BNR 100V 75A 0.025Ω 171nC IRF740 400V 10A 0.55Ω 63nC MTM15N40E 400V 15A 0.3Ω 110nC APT5025BN 500V 23A 0.25Ω 83nC APT1001RBNR 1000V 11A 1.0Ω 150nC *Qg: lượng điện tích được nạp và phóng từ điện dung ở ngõ vào khi thực hiện kích đóng và ngắt transistor. Công suất tổn hao mạch cổng phụ thuộc vào đại lượng Qg theo hệ thức: sGSgG f.U.QP = ; fs là tần số đóng ngắt transistor. 1.5 - IGBT ( INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR ) IGBT có ký hiệu, mạch điện tương đương vẽ trên hình H1.15. IGBT là transistor công suất hiện đại, chế tạo trên công nghệ VLSI, cho nên kích thước gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện. IGBT có phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu trúc của nó. Giống như thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai transistor. Việc điều khiển đóng và ngắt IGBT được thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực transistor npn. Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G. Đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính V-A của MOSFET. Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor npn và làm cho transistor này dẫn điện. Điều này sẽ làm IGBT dẫn điện. Việc ngắt IGBT có thể thực hiện bằng cách khóa điện thế cấp cho cổng kích để ngắt kênh dẫn p. Mạch kích của IGBT vì thế rất đơn giản. Ưu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh, làm nó được sử dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung tần số cao. Mặc khác, với cấu tạo của một transistor, IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện lớn hơn so với các linh kiện thuộc dạng thyristor như GTO. Tuy nhiên, IGBT hiện chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp với họat động trong phạm vi công suất đến 10MW hoặc cao hơn nữa. 1-14 Điện tử công suất 1 Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT đã giúp nó thay thế dần GTO trong một số ứng dụng công suất lớn. Điều này còn dẫn đến các cải tiến hơn nữa công nghệ của GTO và tạo nên các dạng cải tiến của nó như MTO,ETO và IGCT. Giống như MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở mạch cổng lớn làm hạn chế công suất tổn hao khi đóng và ngắt. Giống như BJT, linh kiện IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện thấp (∼2→3V; 1000V định mức) nhưng cao hơn so với GTO. Khả năng chịu áp khóa tuy cao nhưng thấp hơn so với các thyristor. IGBT có thể làm việc với dòng điện lớn. Tương tự như GTO, transistor IGBT có khả năng chịu áp ngược cao. So với thyristor, thời gian đáp ứng đóng và ngắt IGBT rất nhanh, khoảng một vài µs và khả năng chịu tải đến 4,5kV-2.000A. Hiện nay công nghệ chế tạo IGBT đang được đặc biệt phát triển để đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6kV) và dòng điện vài ngàn Amper. IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trong trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT. Modul IGBT thông minh (Intelligent Power Modul): được chế tạo bởi công nghệ tích hợp cao. Trên modul chứa đựng phần tử IGBT, mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện. Các modul này đạt độ tin cậy rất cao. Mạch kích IGBT đượt thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET. Do giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được chế tạo dưới dạng IC công nghiệp. Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng modul riêng (1,2,4,6 driver) hoặc tích hợp trên cả modul bán dẫn (hình thành dạng complex (bao gồm mạch lái, IGBT và mạch bảo vệ) ) Trên bảng B1.3 mô tả thông số một số linh kiện IGBT bao gồm điện áp định mức, dòng điện định mức, độ sụt áp khi dẫn điện (VTM) và thời gian đáp ứng khi kích dẫn linh kiện (ton). Bảng B1.9 so sánh các thông số của IGBT với một số linh kiện công suất lớn như GTO,GCT và ETO Bảng 1.3 Các thông số đặc trưng của IGBT Lọai Điện áp định mức lớn nhất Dòng trung bình định mức VTM ton (đặc trưng) Linh kiện rời HGTG32N60E2 600V 32A 2.4V 0.62µs HGTG30N120D2 1200V 30A 3.2V 0.58µs Linh kiện dạng module CM400HA-12E 600V 400A 2.7V 0.3µs CM300HA-24E 1200V 300A 2.7V 0.3µs Module áp thấp 30V 60A 0.48V 45V 440A 0.69V 150V 30A 1.19V 1-15