IGBT trong biến tần: cấu tạo, chức năng và cách kiểm tra

Việc công nghệ biến tần ngày càng hiện đại hóa kéo theo yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác và linh hoạt trong việc điều khiển, điều khiển tốc độ động cơ. Sự ra đời của IGBT giải quyết hai vấn đề quan trọng là chuyển mạch nhanh và tải dòng điện cao của bộ biến tần trong môi trường công nghiệp, giúp cải thiện độ tin cậy và hiệu quả tổng thể của hệ thống VFD. Trong bài viết này KTH ELECTRIC sẽ giới thiệu tới các bạn cấu tạo, chức năng và cách kiểm tra IGBT trong biến tần.

IGBT trong biến tần là gì?

IGBT (viết tắt của Transistor lưỡng cực có cổng cách điện), còn gọi là Transistor lưỡng cực có cổng cách điện, là thiết bị bán dẫn công suất cao kết hợp khả năng chuyển mạch nhanh của MOSFET và khả năng chịu dòng cao cũng như điện áp bão hòa thấp của BJT (Transistor lưỡng cực). Do đó, IGBT rất lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chuyển đổi nhanh, đặc biệt là bộ biến tần.

Cụ thể hơn, IGBT đóng vai trò quan trọng trong bộ truyền động xoay chiều, điều chỉnh nguồn điện cung cấp cho động cơ điện, từ đó kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.

Sự hiện diện của IGBT cải thiện đáng kể hiệu suất của biến tần, cho phép điều khiển và kiểm soát chính xác hoạt động của động cơ bằng cách điều chỉnh tần số và điện áp của nguồn điện, đồng thời tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu sinh nhiệt. IGBT còn giúp giảm trọng lượng và kích thước của biến tần, giúp thiết bị có thiết kế tối ưu hơn nhiều thiết bị chuyển mạch nguồn khác.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT trong biến tần

Từ quan điểm cấu trúc, IGBT biến tần thường bao gồm 3 cực và 4 lớp bán dẫn xếp chồng lên nhau.

3 cực chính:

• Cổng (G): Điện cực điều khiển được cách ly với lớp bán dẫn bằng lớp silicon dioxide (SiO2), cho phép điều chỉnh điện áp mà không cần dòng điện lớn.
• Mùa thu cuối cùng (ba): Được gắn vào lớp bán dẫn P+ bên ngoài.
• Bộ phát (E): Được gắn vào lớp bán dẫn N+ bên trong.

4 lớp bán dẫn:

• Hạng P+ (Nhà sưu tập): Lớp ngoài cùng có nồng độ pha tạp cao nhất.
• Loại N (khu vực trôi dạt): Lớp giữa có nồng độ doping thấp hơn.
• Cấp độ P (Cơ bản): Nằm gần cực E.
• Lớp N+ (máy phát): Gần cực E nồng độ doping cao.

Thiết kế mô-đun tích hợp của IGBT tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt và quản lý nhiệt, đảm bảo độ tin cậy cao của việc điều chỉnh điện áp.

Ngoài ra, một số IGBT đối xứng (PT-IGBT (Punch Through IGBT)) còn có thêm lớp đệm N+. Lớp điền này không có sẵn cho dòng IGBT không đối xứng (sê-ri NPT-IGBT (IGBT không xuyên thấu)).

Về nguyên lý làm việc, thông qua công nghệ điều chế độ rộng xung (PWM), các IGBT trong biến tần được bật/tắt tuần tự để tạo ra tín hiệu đầu ra tương tự như sóng hình sin của động cơ. Tín hiệu này sau đó được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.

Nguyên lý làm việc cụ thể của IGBT trong biến tần như sau:

• Trạng thái đóng: Khi không có điện áp ở cực G, IGBT ở trạng thái khóa, nghĩa là nó không dẫn điện.
• Ở trạng thái: Khi cực G của IGBT được đặt ở điện áp dương, một điện trường được tạo ra hoạt động như một “kênh” cho phép các electron di chuyển tự do giữa cực C và E. IGBT bây giờ hoạt động giống như một công tắc đóng, cho phép dòng điện chạy qua.

Vai trò của IGBT trong biến tần

Chức năng chính của IGBT trong biến tần là chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp phù hợp để cung cấp cho động cơ. Cụ thể, vai trò của bộ phận này được nêu như sau:

Chức năng biến tần

Khi nguồn AC đầu vào được chỉnh lưu thành nguồn DC, hệ thống IGBT trong mạch biến tần sẽ khởi động chức năng biến tần. Thông qua điều chế độ rộng xung (PWM), IGBT tạo ra các xung có độ rộng khác nhau từ bus DC rồi lọc chúng sao cho điện áp đầu ra có dạng giống sóng hình sin, phù hợp với yêu cầu hoạt động của động cơ. Trong quá trình này, IGBT hoạt động như một công tắc điện tử, có khả năng chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều với tần số và biên độ có thể điều chỉnh được.

Điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn động cơ

Biến tần IGBT có khả năng chuyển mạch nhanh giúp điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra cần thiết để điều khiển tốc độ và mô men xoắn của động cơ.

Khả năng chuyển mạch nhanh của IGBT giúp biến tần điều chỉnh chính xác tần số và điện áp đầu ra để điều khiển tốc độ và mô men xoắn của động cơ. Tần số đầu ra càng cao thì động cơ quay càng nhanh. Đồng thời, IGBT còn giúp duy trì tỷ số điện áp trên tần số không đổi, giúp động cơ hoạt động êm ái và hiệu quả.

Cải thiện hiệu quả chuyển đổi

Là công nghệ tiên tiến hơn BJT và MOSFET, IGBT trong bộ biến tần đáp ứng được yêu cầu về dòng điện và điện áp cao hơn và phù hợp với các ứng dụng khắc nghiệt trong ngành công nghiệp nặng.

Ngoài ra, khả năng chuyển mạch nhanh của IGBT còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển mạch, giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi của hệ thống.

Với vai trò quan trọng trên, IGBT trong biến tần được ứng dụng đặc biệt trong:

• Điều khiển động cơ: Thiết bị cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chi tiết và chính xác và phù hợp cho các ứng dụng như băng tải, băng tải hoặc hệ thống bơm.
• Quản lý năng lượng: Bằng cách điều chỉnh tốc độ động cơ, biến tần IGBT có thể quản lý mức tiêu thụ điện năng của động cơ, đảm bảo động cơ chỉ sử dụng năng lượng khi cần thiết.
• Ứng dụng công nghiệp nặng: Bộ biến tần IGBT có thể xử lý hiệu quả điện áp và dòng điện cao, khiến chúng trở thành giải pháp lý tưởng cho ngành khai thác mỏ, sản xuất thép…

Xem thêm: Mạch nghịch lưu là gì? Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Ưu nhược điểm của IGBT trong biến tần

Ưu điểm của biến tần IGBT

• Hiệu suất và độ tin cậy cao giúp điều khiển tốc độ động cơ chính xác, nâng cao hiệu suất của các máy được kết nối.
• Giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành.
• Tần số chuyển mạch cao làm giảm kích thước của các thành phần thụ động (cuộn cảm, tụ điện…), giúp biến tần đạt được thiết kế nhỏ hơn và nhẹ hơn phù hợp với không gian lắp đặt hạn chế.
• IGBT có tuổi thọ cao, giảm chi phí bảo trì, sửa chữa thường xuyên.
• IGBT duy trì hiệu suất ngay cả khi tải nhiệt cao, do đó ngăn biến tần quá nóng và đảm bảo máy hoạt động liên tục.

Nhược điểm của IGBT trong biến tần

• Tần số hoạt động thấp hơn MOSFET nên không phù hợp với các thiết bị hoạt động ở tần số cao (400V trở lên).
• Khi làm việc ở tần số cao dễ gây tổn thất áp suất và ảnh hưởng đến các thiết bị khác.
• Giá thành của IGBT khá cao, dẫn đến giá thành của biến tần tăng lên.

Cách đo và kiểm tra IGBT trong biến tần

Cách dễ nhất và phổ biến nhất để kiểm tra biến tần của bạn một cách nhanh chóng và chính xác là sử dụng đồng hồ vạn năng. Các bước đo và kiểm tra biến tần IGBT còn sống hay chết như sau:

Điện áp phóng điện

Điện áp giữa ba cực GCE của biến tần cần được xả để IGBT không còn điện áp cấp vào cực G. Bước này được thực hiện theo trình tự: nối dây đo màu đen của đồng hồ với đầu C hoặc E và đầu dò đo màu đỏ với đầu G.

Kiểm tra trạng thái đóng

Mục đích của bước này là để xác định xem có hiện tượng đoản mạch hoặc rò rỉ trong IGBT hay không.

Đặt đồng hồ vạn năng ở cài đặt cao nhất cho chế độ đo diode hoặc điện trở. Sau đó đặt dây đo màu đỏ vào cực C và dây đo màu đen vào cực E. Kim vạn năng sẽ không lộ ra ngoài vào thời điểm này.

Tiếp tục vặn thước đo, thước đỏ ứng với cực E, thước đen tương ứng với cực C. Lúc này, kim đồng hồ sẽ di chuyển lên trên gần vạch tối đa. Nếu kết quả nằm trong khoảng từ 0 đến 1 chứng tỏ biến tần IGBT đang hoạt động tốt.

Kiểm tra trạng thái mở

Đây là bước quan trọng nhất trong việc đánh giá tình trạng của IGBT. Đầu tiên, bạn cần kích hoạt thiết bị đầu cuối G, đặt thanh màu đen lên thiết bị đầu cuối E. Chạm ngón tay vào thiết bị đầu cuối G và thiết bị đầu cuối C đồng thời sẽ tạo ra một điện áp nhỏ để kích hoạt thiết bị đầu cuối G.

Sau khi kích hoạt thiết bị đầu cuối G, bạn cần đặt thanh màu đỏ trên thiết bị đầu cuối C và thanh màu đen trên thiết bị đầu cuối E. Nếu đồng hồ hiển thị kim hoặc hiển thị điện trở thấp, IGBT đã được kích hoạt. Ngược lại, nếu đồng hồ có điện trở vô hạn thì rất có thể đầu G đã bị hỏng.

Đo lại sau khi khóa IGBT

Để khóa cực G, bạn cần dùng ngón tay chạm vào cực G và E cùng lúc để xả hết điện tích vừa kích thích cực G. Tiếp theo, đo lại IGBT: nối đầu đo màu đỏ với cực C và đầu dò màu đen với cực E.

Nếu đồng hồ hiển thị điện trở vô hạn thì IGBT bị khóa. Nếu đồng hồ vẫn hiển thị điện trở thấp, IGBT có thể bị hỏng và không khóa.

Kiểm tra lớp bán dẫn giữa các thiết bị đầu cuối IGBT

Cấu trúc lớp bán dẫn của IGBT rất giống với cấu trúc của MOSFET, nhưng nó có thêm lớp tiếp giáp cực thu để tạo thành cấu trúc pnp, khác với cấu trúc nn của MOSFET.

Đo lớp dẫn điện IGBT

• Nối que màu đỏ với cực E và que đen với cực C. Nếu đồng hồ hiển thị điện áp acbV thì độ chênh lệch điện áp giữa hai cực bán dẫn vẫn tốt.
• Đặt thanh màu đỏ vào cực C và thanh màu đen vào cực E. Nếu đồng hồ hiển thị 0V chứng tỏ lớp dẫn điện ổn định.

Xem thêm: So sánh Bộ chuyển đổi tần số và Bộ khởi động mềm: Ưu điểm và nhược điểm

Một số câu hỏi về IGBT trong biến tần

Câu hỏi 1: Biến tần có bao nhiêu loại IGBT?

hồi đáp: Biến tần IGBT được chia thành 3 loại cơ bản, bao gồm:

• IGBT tiêu chuẩn: Loại phổ biến nhất, có khả năng cân bằng giữa tốc độ chuyển mạch và khả năng xử lý điện áp, phù hợp với các bộ biến tần thông dụng.
• IGBT Penetration (PT): Đường dây này có tốc độ chuyển mạch cao hơn nhưng cấp điện áp thấp hơn.
• IGBT không xuyên thấu (NPT): Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu điện áp cao. Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi có phần hạn chế.

Câu hỏi 2: Khi lựa chọn IGBT cho biến tần cần chú ý điều gì?

hồi đáp: IGBT ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chuyển mạch của biến tần nên trong quá trình lựa chọn IGBT cần lưu ý một số vấn đề:

• Yêu cầu về điện áp và dòng điện: Mỗi IGBT có thể chịu được mức điện áp và dòng điện cụ thể. Trong các ứng dụng cụ thể, hai tham số này cần được xác định để chọn IGBT phù hợp.
• Yêu cầu tần số chuyển đổi: Nếu hệ thống của bạn yêu cầu tần số chuyển mạch cao thì IGBT loại xuyên là lựa chọn phù hợp nhất.
• Hiệu suất nhiệt: IGBT có thể hoạt động ở nhiệt độ cao, nhưng người ta phải đảm bảo rằng thiết bị có thể chịu được các hạn chế về nhiệt của ứng dụng.
• khả năng tương thích: Đảm bảo khả năng tương thích IGBT với các thành phần khác của hệ thống như mạch điều khiển và cơ chế bảo vệ.

Câu hỏi 3: IGBT trong biến tần so với silicon điều khiển (SCR) như thế nào?

hồi đáp: Mặc dù silicon có thể điều khiển được có thể chịu được dòng điện lớn và điện áp cao nhưng nó có khả năng chuyển mạch hạn chế. Thành phần này không thể tự ngắt mà cần có sự hỗ trợ của cầu dao phụ trợ hoặc chờ dòng điện giảm về 0. Ngoài ra, silicon điều khiển còn gây tổn thất điện năng lớn và sinh ra lượng nhiệt lớn.

Về khả năng chịu dòng điện và điện áp, bộ biến tần IGBT thường có dải công suất thấp hơn SCR một dải. Ngược lại, IGBT có lợi thế rất lớn là chuyển đổi nhanh và có thể bật/tắt chủ động thông qua tín hiệu điện áp. IGBT ít gây tổn thất năng lượng hơn, do đó làm tăng hiệu suất chuyển mạch của biến tần.

Trên đây là những thông tin quan trọng về IGBT trong biến tần mà chúng tôi tổng hợp cho các bạn. Các kiến ​​thức khác liên quan đến biến tần, bạn có thể tìm hiểu thêm tại: https://etinco.vn/tin-tuc/kien-thuc/kien-thuc-bien-tan/.