Tìm hiểu về các linh kiện bán dẫn công suất (IGBT, MOSFET, SCR) trong bộ nghịch lưu của UPS

Trong bộ nghịch lưu của UPS, các linh kiện bán dẫn công suất đóng vai trò then chốt. Chúng chuyển đổi điện năng từ một chiều (DC) sang xoay chiều (AC). Ba loại linh kiện thường được sử dụng là IGBT, MOSFET và SCR. Mỗi loại đều có đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng riêng. Cùng Huyndai Việt Thanh tìm hiểu kỹ bộ phận này nhé.

Bộ nghịch lưu của UPS

Bộ nghịch lưu là thành phần quan trọng trong UPS, có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) từ ắc quy thành điện xoay chiều (AC) để cấp cho tải khi mất điện lưới.

Về mặt kỹ thuật, bộ nghịch lưu cần đảm bảo độ ổn định điện áp, thời gian đáp ứng nhanh, hiệu suất cao và độ tin cậy lâu dài.

Các dạng tín hiệu đầu ra phổ biến gồm: sóng sin chuẩn, sóng sin mô phỏng và sóng vuông – mỗi loại phù hợp với các mức yêu cầu và chi phí khác nhau.

Xem thêm:

Bo mạch điều khiển trong bộ nghịch lưu của UPS

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

IGBT là linh kiện bán dẫn lai giữa MOSFET và BJT. Chúng kết hợp đặc tính điều khiển điện áp của MOSFET với khả năng dẫn dòng lớn của BJT.

Cấu trúc cơ bản gồm ba lớp bán dẫn N-P-N. Trong đó cực điều khiển (gate) được cách ly bằng lớp oxide. Nó cho phép điều khiển tín hiệu bằng điện áp mà không tiêu tốn dòng điều khiển lớn.

Khi áp một điện áp dương vào gate so với emitter, lớp kênh dẫn được hình thành. Cho phép dòng điện chạy từ collector đến emitter. Khi điện áp gate bị loại bỏ, IGBT tắt hoàn toàn.

Ưu điểm:

• Khả năng chịu điện áp cao (thường từ 600V đến vài kV). Nó phù hợp với hệ thống công suất trung và lớn.
• Tổn hao dẫn thấp hơn MOSFET ở dòng lớn. Từ đó giúp cải thiện hiệu suất tổng thể.
• Dễ điều khiển nhờ đặc tính điều khiển điện áp (gate driver đơn giản).

Nhược điểm:

• Tốc độ chuyển mạch chậm hơn MOSFET. Hạn chế khi dùng ở tần số cao (>20 kHz).
• Có hiện tượng tail current khi tắt, gây tăng tổn hao chuyển mạch.

Ứng dụng trong bộ nghịch lưu UPS:

IGBT thường được sử dụng trong các bộ nghịch lưu công suất trung bình đến lớn (từ vài kVA đến hàng trăm kVA). Đặc biệt trong các hệ thống UPS online double conversion.

Nhờ khả năng xử lý dòng cao và điện áp lớn, IGBT đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả khi chuyển đổi điện trong thời gian thực. Nó đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng điện áp đầu ra.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển bằng điện áp. Gồm ba cực: Gate, Drain và Source. Cấu trúc đặc trưng là lớp cách điện oxide nằm giữa cực gate và lớp bán dẫn. Cho phép điều khiển dòng điện giữa drain và source bằng điện áp gate mà không tiêu tốn dòng điều khiển.

Khi áp điện áp dương vào gate, lớp kênh dẫn hình thành. Cho phép dòng điện chạy qua. Khi không có điện áp, kênh dẫn bị ngắt.

Đặc điểm kỹ thuật nổi bật

• Tốc độ chuyển mạch cao: nhờ điện dung cổng thấp và không có hiện tượng tail current như IGBT, MOSFET có thể hoạt động ở tần số lên đến hàng trăm kHz.
• Tổn hao thấp ở tần số cao: giúp giảm nhiệt và tăng hiệu suất khi làm việc trong các mạch nghịch lưu tần số cao.

Ưu điểm:

• Chuyển mạch cực nhanh, giảm tổn thất chuyển mạch.
• Điều khiển đơn giản bằng điện áp, ít tiêu tốn năng lượng ở mạch điều khiển.
• Kích thước nhỏ gọn, dễ tích hợp vào mạch in.

Nhược điểm:

• Khả năng chịu điện áp và dòng thấp hơn IGBT, giới hạn trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ.
• Tổn hao dẫn tăng nhanh ở dòng lớn do điện trở r_DS(on), gây tăng nhiệt.

Ứng dụng trong bộ nghịch lưu UPS

MOSFET thường được sử dụng trong các bộ nghịch lưu UPS công suất nhỏ (dưới 5kVA). Đây là nơi yêu cầu tốc độ phản hồi nhanh và chuyển mạch tần số cao. Chẳng hạn như trong UPS line-interactive hoặc UPS online loại nhỏ.

Với ưu điểm về hiệu suất và tốc độ, MOSFET phù hợp cho các thiết bị nhạy cảm. Như máy tính, thiết bị viễn thông hoặc thiết bị y tế.

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

SCR là một loại thyristor, gồm bốn lớp bán dẫn PNPN và ba cực: Anode, Cathode và Gate.

Khi một xung điện áp dương được đưa vào cực Gate, SCR chuyển sang trạng thái dẫn dòng giữa Anode và Cathode. Sau khi đã dẫn, SCR sẽ tiếp tục duy trì trạng thái này mà không cần xung điều khiển cho đến khi dòng tải giảm xuống dưới ngưỡng giữ.

Đặc điểm kỹ thuật

• Khả năng chịu dòng lớn: SCR có thể xử lý dòng điện rất cao với tổn thất thấp. Thường được dùng trong các ứng dụng công suất lớn.
• Điều khiển bằng xung kích hoạt (gate trigger): SCR chỉ cần một xung ngắn để mở và sẽ duy trì trạng thái dẫn đến khi bị tắt tự nhiên.

Ưu điểm:

• Cấu trúc đơn giản, chi phí thấp. Nó rất bền trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
• Hiệu suất cao khi hoạt động ở chế độ đóng/cắt toàn phần.

Nhược điểm:

• Không thể tắt chủ động bằng tín hiệu điều khiển. Gây khó khăn trong mạch điều khiển chính xác.
• Tốc độ chuyển mạch thấp, không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tần số cao..

Ứng dụng trong bộ nghịch lưu UPS

SCR chủ yếu được sử dụng trong các bộ nghịch lưu công nghiệp đời cũ. Ngày nay, SCR thường bị thay thế bởi IGBT và MOSFET trong các thiết kế hiện đại do hạn chế về khả năng điều khiển và tốc độ.

So sánh IGBT, MOSFET và SCR trong bộ nghịch lưu UPS

Dưới đây là bảng so sánh chi tiết:

Tiêu chí	IGBT	MOSFET	SCR
Công suất ứng dụng	Trung đến cao	Thấp đến trung bình	Cao
Tần số chuyển mạch	Trung bình (~10–30 kHz)	Rất cao (lên đến hàng trăm kHz)	Thấp (~50–500 Hz)
Điều khiển	Dễ – bằng điện áp	Dễ – bằng điện áp	Khó – cần xung kích và mạch tắt riêng
Tổn hao dẫn	Thấp ở dòng cao	Thấp ở tần số cao	Thấp nếu hoạt động đúng chu kỳ
Khả năng tắt	Tắt chủ động	Tắt chủ động	Phải tắt qua điểm không (zero-cross)
Ứng dụng chính	UPS online công suất lớn	UPS nhỏ, tốc độ cao	UPS công nghiệp cũ hoặc tải cố định

Nếu quý khách cần tìm hiểu thêm về UPS, hãy liên hệ hotline 0359.375.112 để được hỗ trợ