ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BÁN DẪN VÀO HỆ THỐNG PHÂN
PHỐI NGUỒN ĐIỆN TRÊN THIẾT BỊ BAY
Tóm Tắt:
1. GIỚI THIỆU
Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn ngày nay đạt được những tiến bộ vượt
bậc, với việc cho ra đời các phần tử có kích thước nhỏ gọn, có khả năng đóng cắt
dòng điện, điện áp cao hơn với tổn thất giảm đáng kể. Điều này cho phép ngành
công nghiệp hàng không vũ trụ xem xét thay thế công nghệ đóng cắt dùng role cơ
nhiệt bằng công nghệ dùng phần tử bán dẫn. Việc chuyển sang sử dụng các phần tử
bán dẫn cung cấp các lợi thế về hệ thống an toàn điện, tính linh hoạt và khả năng
bảo vệ hệ thống cao.
Trong giai đoạn trước đây, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra một số nhược điểm
của các phần tử bán dẫn công suất khi đưa vào sử dụng:
- Có tổn hao công suất cao.
- Không thể xử lý với nguồn và tải có điện dung cảm ứng cao.
- Sẽ bị hư hỏng khi ngắt hiện tượng ngắn mạch.
- Luôn bị ngắt mạch khi lỗi, khiến tải và dây dẫn không được bảo vệ.
Những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn đã giải quyết những vấn đề còn tồn
tại. Các thiết bị bán dẫn hiện nay với tổn hao công suất thấp và có khả năng đáp
ứng nhanh để bảo vệ tải và dây dẫn trong máy bay. Ngoài ra còn có các thiết bị bảo
vệ có thể được sử dụng để bảo vệ phần tử bán dẫn, tải và dây dẫn trong máy bay
nếu phần tử bán dẫn bị ngắn mạch hoặc chịu điện áp cao hoặc dòng điện cao do các
đặc tính điện phụ tải kèm theo.
2. ƯU ĐIỂM KHI SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN
Rơ le là mộ thiết bị điều khiển điện tử hoạt động như một công tắc điện trong
hầu hết các thiết bị điện và điện tử. Khi giá trị đầu vào đạt đến giá trị đặt trước, gí
trị đầu ra sẽ tạo ra bước thay đổi trong mạnh đầu ra, rơ le thường sử dụng để điều
khiển dòng đầu ra lớn với dòng đầu vào thấp. Rơ le cũng được sử dụng để điều
chỉnh tự động (như hệ thống kiểm soát nhiệt độ), bảo vệ mạch và chuyển mạch.
Theo cấu trúc, rơ le có thể chia thành các rơ le cơ học (như rơ le điện từ, rơ le
điện cơ) và rơ le không tiếp xúc ( rơ le bán dẫn).
Hình 2
Nguyên lý làm việc của rơ le cơ học chính là nguyên lý cảm ứng điện từ. Cấu
trúc của rơ le cơ rất là cỗ và không thay đổi từ khi phát minh và bao gồm 2 phần:
Cuộn dây và tiếp điểm
Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhu cầu về rơ le (kích thước
nhỏ, tuổi thọ dài, độ ổn định cao, hiệu xuất cao và khả năng tương thích cao) ngày
càng tăng, vì vậy các thành phần bán dẫn được sử dụng làm thành phần chuyển
mạch trong rơ le. Không có tiếp xúc cơ học và cuộn dây trong các rơ le như vậy,
khác với các rơ le cơ học truyền thống.
Tại sao lại chọn rơ le bán dẫn
Ưu điểm
Rơ le điện từ
Rơ le bán dẫn
AC và DC tương thích
Chống rung, chống sốc
Có thể cung cấp nhiều loại chân,
tiếp điểm thường đóng và thường mở
đều có
Giá rẻ
Chống ăn mòn và chống ẩm
Chế độ chuyển mạch không đồng
bộ và đồng bộ
Kích thước nhỏ gọn
Tương tích với mạch số
Điện áp thấp
Thời gian đáp ứng nhanh
Không cần tản nhiệt
Công suất điều khiển thấp, thường
từ 10-50mW
Không có dòng rò
Tuổi thọ cao, dài hơn 50-100 lần
thời gian của rơ le điện từ
Nhiễu điện từ trường thấp (EMI)
trong chế độ chuyển mạch đồng bộ
Không chuyển động cơ học
1. Tuổi thọ cao và độ ổn định cao
Trên thực tế, tuổi thọ của các tiếp điểm cơ học quyết định tuổi thọ của rơle cơ.
Do không có các tiếp điểm cơ học bên trong rơle bán dẫn, tuổi thọ của rơle SSR sẽ
không bị rút ngắn do sự biến dạng, lão hóa, ăn mòn và bám dính của các tiếp điểm.
Đồng thời, không có bộ phận chuyển động cơ học trong rơle bán dẫn, do đó độ nảy
tiếp xúc và tiếp xúc kém của các bộ phận chuyển động sẽ không xảy ra.
Do cấu trúc không tiếp xúc và vỏ nhựa bảo vệ, rơle bán dẫn có khả năng
chống va đập tốt, chống sốc và chống ăn mòn. Rơle trạng thái rắn có phạm vi ứng
dụng rộng hơn rơ le cơ điện, ví dụ, độ ẩm ít ảnh hưởng đến rơle bán dẫn và chỉ làm
giảm hiệu suất cách điện của nó một chút, nhưng rơle điện từ rất nhạy cảm với độ
ẩm, nếu tiếp xúc với độ ẩm trong thời gian dài thời gian, tuổi thọ của EMR sẽ được
rút ngắn và các thành phần sẽ bị ăn mòn.
Tóm lại, tuổi thọ của rơle trạng thái rắn gấp 50 - 100 lần so với rơle điện từ và
độ tin cậy của rơle bán dẫn vượt trội hơn nhiều so với rơle điện từ.
2. Giá cả sử dụng
Chi phí mua ban đầu của rơle bán dẫn cao hơn so với rơle điện từ. Nhưng xem
xét các chi phí khác (như tuổi thọ toàn diện, chi phí kiểm tra và bảo trì, tổn thất và
hiệu quả thấp do không ổn định hoặc bị lỗi của rơle, v.v.), chi phí trung bình của
việc sử dụng rơle bán dẫn thấp hơn nhiều so với của rơle điện từ.
Ngoài ra, trong một số ứng dụng, cần có thêm chi phí để ngăn rung xóc tiếp
xúc và tiếp xúc kém của rơle cơ.
3. Điều khiển hiệu quả
Tần số hoạt động (hoặc tốc độ chuyển mạch) của rơle bán dẫn gấp vài đến vài
chục lần so với rơle điện từ, cho phép rơ le bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị
đòi hỏi hiệu xuất cao. Hơn nữa, rơ le bán dẫn sử dụng chất bán dẫn làm phương
tiện truyền tín hiệu, vì vậy rơle bán dẫn có thể tương thích với các hệ thống điều
khiển máy tính mà không cần thêm các mạch và thiết bị bổ sung, nhưng rơ le điện
từ không thể làm điều đó.
Thời gian đáp ứng của rơle bán dẫn thấp hơn nhiều so với rơle cơ và công suất
điều khiển của rơle bán dẫn cũng thấp hơn rơle điện từ, khiến rơ le điện từ không
áp dụng được cho thiết bị cần thời gian đáp ứng ngắn và công suất điều khiển thấp.
Trong một số ứng dụng đặc biệt yêu cầu hệ số công suất thấp, công tắc phải ổn
định và chống rung sóc, do đó không thể sử dụng rơle điện từ.
4. Bức xạ điện từ
Cấu trúc cơ học làm cho rơle cơ tạo ra một lượng lớn tín hiệu nhiễu điện từ
(EMI) trong thời gian chuyển mạch. Nếu không có mạch bảo vệ bổ sung, các tín
hiệu nhiễu này có thể ảnh hưởng xấu đến thiết bị điện tử và hệ thống điện.
Ngược lại, rơle bán dẫn có khả năng tương thích điện từ tốt (EMC). Và rơle
bán dẫn có chức năng không giao nhau có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiễu bên
ngoài đến rơ le bán dẫn, và cũng làm giảm tín hiệu nhiễu do chính rơle bán dẫn tạo
ra.
Do đó, nếu ứng dụng yêu cầu nhiễu điện từ thấp, nên sử dụng rơle bán dẫn.
5. Nhiều chế độ hoạt động
Mạch bên trong rơle bán dẫn rất đa dạng và có thể được thiết kế linh hoạt theo
nhu cầu thực tế. Thông qua sự kết hợp của các thành phần bên trong, rơle bán dẫn
có thể đạt được sự điều khiển đa dạng của mạch đầu ra theo các trạng thái khác
nhau của tín hiệu điều khiển và nguồn điện.
Tuy nhiên, rơle điện từ chỉ có thể chuyển mạch tải không đồng bộ, nghĩa là
trạng thái của công tắc chỉ được điều khiển bởi tín hiệu điều khiển và không phụ
thuộc vào thời gian của tín hiệu nguồn; trong khi rơle bán dẫn có thể thực hiện điều
khiển một cách đồng bộ. Tất nhiên, rơle bán dẫn có nhiều chế độ hoạt động hơn,
chẳng hạn như:
1) Chế độ không đồng bộ
2) Chế độ đồng bộ
3) Chế độ đồng bộ điện áp hoặc cực đại
4) Chế độ góc pha
5) Chế độ xung
* Ứng dụng rơ le bán dẫn trong bộ điều khiển nguồn bán dẫn
Sử dụng bộ điều khiển để kiểm tra tích hợp
3. MỘT SỐ LINH KIỆN ĐÓNG CẮT BÁN DẪN PHỔ BIẾN
3.1 Rơle bán dẫn (Solid-State relays)
Rơ le bán dẫn có nguyên lý hoạt động tư tự như rele cơ khí thông thường, sử
dụng dòng điện nhỏ để đóng cắt một tải tiêu thụ lớn.
Rơ le bán dẫn có cấu trúc cơ bản gồm 1 diode phát quang và một triac như
hình. Có ưu điểm điều khiển đơn giản, dễ sử dụng, có khả năng đóng cắt tải lớn ở
tần số cao hơn so với rơ le cơ khí.
Hình 1 Cấu trúc cơ bản rơ le bán dẫn
3.2 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)
MOSFET là phần tử bán dẫn có cực điều khiển được cách ly hoàn toàn so với
cấu trúc bán dẫn còn lại, được chia làm MOSFET kênh dẫn kiểu n và MOSFET
kênh dẫn kiểu p.
Hình 2 Cấu trúc bán dẫn của mosfet
MOSFET có đặc điểm với khả năng đóng cắt ở tần số cao có thể lên đến hàng
1MHz, có thể đóng cắt dòng điện ở hàng 100A và điện áp lên đến trên 1kV.
3.3 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 tranzitor thường. IGBT được điều khiển bằng điện áp với công suất
điều khiển cực nhỏ.
Hình 3 Cấu trúc bán dẫn của IGBT
IGBT có đặc điểm với khả năng đóng cắt dòng điện cao lên tới trên 500A,
điện áp hàng 1kV, tần số đóng cắt có thể từ vài chục đến 100kHz.
4. KẾT LUẬN
Trong bài viết, các ưu nhược điểm của các phần tử đóng cắt bán dẫn được chỉ
ra. Những lợi thế khi sử dụng phần tử đóng cắt bán dẫn thay thế cho phần tử đóng
cắt thông thường như rơ le cơ khí cũng được nêu ra. Nêu ra một số phần tử đóng
cắt bán dẫn sử dụng phổ biến trên.
Có thể sử dụng các phần tử đóng cắt bán dẫn trong các thiết kế thiết bị phân
phối nguồn điện trên khoang quả đạn. Giúp cho thiết bị nhỏ hơn, nhẹ hơn, khả năng
bảo vệ tốt hơn, thiết kế linh hoạt với khả năng số hóa cao hơn,…