Công nghệ biến tần ngày càng hiện đại, kéo theo yêu cầu ngày càng cao về tính chính xác và linh hoạt trong điều khiển và kiểm soát tốc độ động cơ. IGBT ra đời đã giải quyết được 2 vấn đề quan trọng là đóng cắt nhanh và chịu tải dòng điện cao của biến tần trong môi trường công nghiệp, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả tổng thể của hệ thống VFD. Trong bài viết này, Etinco sẽ giới thiệu đến bạn cấu tạo, chức năng cũng như cách kiểm tra IGBT trong biến tần.
IGBT trong biến tần là gì?
IGBT (viết tắt của Insulated Gate Bipolar Transistor) hay còn được gọi là Transistor lưỡng cực cổng cách điện, là thiết bị bán dẫn công suất cao, kết hợp ưu điểm đóng cắt nhanh của MOSFET và chịu dòng điện cao, điện áp bão hòa thấp của BJT (transistor lưỡng cực). Nhờ đó, IGBT là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chuyển mạch nhanh chóng, đặc biệt là biến tần.
Cụ thể hơn, IGBT đóng vai trò quan trọng trong các bộ truyền động AC với khả năng điều chỉnh công suất cung cấp cho động cơ điện, qua đó kiểm soát được tốc độ và mô-men xoắn động cơ.
Sự hiện diện của IGBT giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của biến tần, cho phép kiểm soát và điều khiển hoạt động động cơ một cách chính xác bằng cách điều chỉnh tần số và điện áp của nguồn cung cấp, đồng thời tiết kiệm được năng lượng và giảm thiểu hiện tượng tỏa nhiệt. IGBT cũng góp phần giảm bớt trọng lượng và kích thước của biến tần, giúp thiết bị này có thiết kế tối ưu hơn nhiều thiết bị chuyển mạch công suất khác.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT trong biến tần
Về mặt cấu tạo, một IGBT biến tần thường bao gồm 3 cực và 4 lớp bán dẫn xếp chồng lên nhau.
3 cực chính:
- Cực cổng (G): Cực điều khiển, được cách ly với lớp bán dẫn bằng một lớp silic dioxide (SiO2) có khả năng điều chỉnh điện áp mà không cần dòng điện lớn.
- Cực thu (C): Được gắn với lớp bán dẫn P+ phía ngoài.
- Cực phát (E): Được gắn với lớp bán dẫn N+ phía trong.
4 lớp bán dẫn:
- Lớp P+ (Collector): Lớp ngoài cùng, nồng độ pha tạp cao nhất.
- Lớp N− (Drift region): Lớp giữa, nồng độ pha tạp thấp hơn.
- Lớp P (Base): Nằm gần cực E.
- Lớp N+ (Emitter): Nằm sát cực E, nồng độ pha tạp cao.
Thiết kế mô-đun tích hợp của IGBT thuận tiện cho việc lắp đặt và quản lý nhiệt, đảm bảo độ tin cậy cao trong việc điều chỉnh điện áp.
Ngoài ra, một số IGBT dạng đối xứng (PT-IGBT (Punch Through IGBT)) còn có thêm 1 lớp đệm N+. Lớp đệm này không có trong dòng IGBT bất đối xứng (NPT-IGBT (Non-Punch Through IGBT)).
Về nguyên lý làm việc, thông qua kỹ thuật Điều chế độ rộng xung (PWM), IGBT trong biến tần được bật/tắt theo trình tự nhằm tạo tín hiệu đầu ra có dạng tương tự sóng sin của động cơ. Tín hiệu này sau đó sẽ được dùng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn động cơ.
Nguyên lý hoạt động cụ thể của IGBT trong biến tần như sau:
- OFF state: Khi không có điện áp đặt lên cực G, IGBT ở trạng thái khóa, tức là không dẫn điện.
- ON state: Khi cực G của IGBT được đặt lên 1 điện áp dương, điện trường sẽ được tạo ra, đóng vai trò là “kênh dẫn” cho phép các electron tự do di chuyển giữa 2 cực C và cực E. IGBT lúc này như một công tắc đóng, cho phép dòng điện chạy qua.
Vai trò của IGBT trong biến tần
IGBT trong biến tần có vai trò chính là chuyển đổi từ dòng DC thành dòng AC với tần số và điện áp phù hợp để cấp cho động cơ. Cụ thể vai trò của bộ phận này được thể hiện như sau:
Chức năng nghịch lưu
Sau khi nguồn điện xoay chiều AC đầu vào được chỉnh lưu thành điện 1 chiều DC, hệ thống các IGBT trong mạch nghịch lưu sẽ bắt đầu chức năng chuyển đổi ngược lại. Thông qua kỹ thuật Điều chế độ rộng xung (PWM), IGBT tạo ra các xung có độ rộng khác nhau từ DC bus, sau đó sẽ tiến hành lọc để điện áp đầu ra có dạng gần giống sóng sin, phù hợp với yêu cầu vận hành động cơ. Trong suốt quá trình này, IGBT đảm nhận vai trò của một công tắc điện tử với khả năng chuyển đổi dòng DC thành AC với tần số và biên độ có thể điều chỉnh.
Điều chỉnh tốc độ, mô-men xoắn của động cơ
Với khả năng đóng cắt nhanh, IGBT biến tần giúp điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra mong muốn, từ đó kiểm soát tốc độ cũng như mô-men xoắn của động cơ.
Khả năng đóng cắt nhanh của IGBT giúp biến tần có thể điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra một cách chính xác, từ đó kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ. Tần số đầu ra càng cao, động cơ quay với tốc độ càng nhanh. Đồng thời, IGBT cũng giúp duy trì tỷ lệ điện áp không đổi trên tần số, giúp động cơ vận hành êm ái, hiệu quả.
Nâng cao hiệu suất chuyển đổi
Là công nghệ tiên tiến hơn BJT và MOSFET nên IGBT trong biến tần đáp ứng được yêu cầu chịu dòng và điện áp cao hơn, phù hợp với các ứng dụng có tính khắc nghiệt trong công nghiệp nặng.
Ngoài ra, khả năng đóng cắt nhanh của IGBT cũng hạn chế tối đa tình trạng tổn thất năng lượng khi chuyển mạch, góp phần nâng cao hiệu suất chuyển đổi của hệ thống.
Với những vai trò quan trọng trên, IGBT trong biến tần được ứng dụng đặc biệt để:
- Kiểm soát động cơ: Thiết bị này cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chi tiết và chính xác, phù hợp với các ứng dụng như băng tải, băng chuyền hoặc hệ thống bơm.
- Quản lý năng lượng: Thông qua việc điều chỉnh tốc độ động cơ, IGBT biến tần có khả năng 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: Với khả năng xử lý điện áp và dòng điện công suất lớn hiệu quả, IGBT biến tần là giải pháp lý tưởng của các ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, sản xuất sắt, thép…
Xem thêm: Mạch biến tần là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Ưu, nhược điểm của IGBT trong biến tần
Ưu điểm của IGBT biến tần
- Hiệu suất và độ tin cậy cao, cho phép điều khiển tốc độ động cơ chính xác, nâng cao hiệu suất của các máy móc được kết nối.
- Giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành.
- Tần số đóng ngắt cao nên giảm được kích thước của các linh kiện thụ động (cuộn cảm, tụ điện…), giúp biến tần có thiết kế nhỏ và nhẹ hơn, phù hợp với các không gian lắp đặt hạn chế.
- IGBT có tuổi thọ cao nên giảm được chi phí bảo trì, sửa chữa thường xuyên.
- IGBT duy trì được hiệu suất ngay cả khi phải chịu tải nhiệt cao, nhờ đó ngăn ngừa được tình trạng quá nhiệt của biến tần, đảm bảo máy móc 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 (từ 400V trở lên).
- Rất dễ bị sụt áp khi hoạt động ở tần số cao, gây ảnh hưởng đến các thiết bị khác.
- Chi phí IGBT khá cao, kéo theo chi phí của biến tần tăng theo.
Cách đo và kiểm tra IGBT trong biến tần
Để kiểm tra biến tần nhanh chóng và chính xác, phương pháp đơn giản và phổ biến nhất là sử dụng đồng hồ vạn năng. Các bước đo và kiểm tra IGBT biến tần còn sống hay chết được thực hiện theo các bước dưới đây:
Xả điện áp
Cần xả điện áp giữa 3 cực G - C - E của biến tần để IGBT không còn điện áp đặt lên cực G. Bước này tiến hành lần lượt: Kết nối que đo màu đen của đồng hồ với cực C hoặc E, que đo màu đỏ nối với cực G.
Kiểm tra trạng thái OFF
Mục đích của bước này là để xác định IGBT có bị chập mạch hay rò rỉ điện không.
Điều chỉnh đồng hồ vạn năng về chế độ đo Diode hoặc điện trở ở thang đo cao nhất. Sau đó đặt que đo màu đỏ vào cực C, que đo màu đen chạm cực E. Kim đồng hồ vạn năng lúc này sẽ không lên.
Tiếp tục đảo ngược que đo, que đỏ ứng với cực E và que đen ứng với cực C. Khi đó, kim đồng hồ sẽ di chuyển lên gần sát vạch tối đa. Nếu kết quả nằm giữa 2 giá trị là 0 và 1, chứng tỏ IGBT biến tần hoạt động tốt.
Kiểm tra trạng thái ON
Đây là công đoạn quan trọng nhất để đánh giá tình trạng của IGBT. Trước hết cần kích cực G bằng cách đặt que đen vào cực E. Dùng ngón tay chạm vào cùng lúc cả cực G và cực C để tạo điện áp nhỏ kích hoạt cực G.
Sau khi kích cực G, cần đặt que đỏ vào cực C và que đen vào chân E. Nếu đồng hồ lên kim hoặc hiển thị điện trở thấp, IGBT đã được kích hoạt. Ngược lại, nếu đồng hồ hiển thị điện trở vô cực, có khả năng cực G đã bị hỏng.
Đo lại sau khi khóa IGBT
Để khóa cực G, bạn cần chạm ngón tay đồng thời vào 2 cực G và cực E để xả hết điện tích vừa kích cực G. Tiếp đó tiến hành đo lại IGBT bằng thao tác: đặt que đo màu đỏ kết nối với cực C và que đen nối với cực E.
Nếu đồng hồ hiển thị điện trở vô cực, IGBT đã được khóa. Nếu đồng hồ vẫn hiển thị điện trở thấp, IGBT có khả năng đã hỏng nên không thể khóa lại.
Kiểm tra lớp bán dẫn giữa các cực IGBT
Lớp bán dẫn của IGBT có cấu trúc khá tương đồng với bán dẫn của MOSFET nhưng có thêm 1 lớp nối collector, tạo thành cấu trúc p-n-p, khác với cấu trúc n-n ở MOSFET.
Đo lớp tiếp dẫn IGBT
- Đặt que đỏ kết nối với cực E, que đen nối với cực C. Nếu đồng hồ hiển thị điện áp là acbV, điện áp chênh lệch giữa 2 cực bán dẫn vẫn tốt.
- Đặt que đỏ vào cực C, que đen vào cực E, nếu đồng hồ hiển thị 0V, chứng tỏ lớp tiếp dẫn ổn định.
Xem thêm: So sánh biến tần và khởi động mềm: Những ưu nhược điểm
Một số câu hỏi về IGBT trong biến tần
Câu hỏi 1: IGBT trong biến tần có mấy loại?
Trả lời: IGBT biến tần được chia thành 3 loại cơ bản, gồm:
- IGBT tiêu chuẩn: Loại phổ biến nhất, có khả năng cân bằng giữa tốc độ đóng cắt và xử lý điện áp, phù hợp với dòng biến tần đa năng.
- IGBT xuyên thủng (PT): Dòng này có tốc độ đóng cắt cao hơn nhưng lại chịu mức điện áp thấp hơn.
- IGBT không xuyên thủng (NPT): Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu điện áp cao. Tuy nhiên, tốc độ đóng cắt có phần hạn chế.
Câu hỏi 2: Lựa chọn IGBT cho biến tần cần lưu ý những gì?
Trả lời: IGBT ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng đóng cắt của biến tần nên quá trình lựa chọn IGBT cần chú ý một số vấn đề:
- Yêu cầu về điện áp, dòng điện: Mỗi IGBT chịu được mức điện áp, dòng điện cụ thể. Cần xác định được 2 thông số này trong các ứng dụng cụ thể để lựa chọn IGBT phù hợp.
- Yêu cầu về tần số chuyển mạch: Nếu hệ thống của bạn yêu cầu tần số chuyển mạch cao, IGBT xuyên thủng là lựa chọn phù hợp nhất.
- Hiệu suất nhiệt: IGBT có thể hoạt động ở nhiệt độ cao nhưng cần đảm bảo linh kiện này chịu được giới hạn nhiệt của ứng dụng.
- Khả năng tương thích: Đảm bảo IGBT tương thích được với các thành phần khác của hệ thống như mạch điều khiển, cơ cấu bảo vệ.
Câu hỏi 3: So sánh IGBT trong biến tần với bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR)?
Trả lời: SCR tuy chịu được dòng điện và điện áp cao nhưng lại bị hạn chế về khả năng đóng cắt. Linh kiện này cũng không thể tự ngắt mà cần đến sự hỗ trợ của mạch ngắt phụ trợ hoặc chờ khi dòng điện giảm về 0. Ngoài ra, SCR còn gây tổn thất điện năng lớn và sinh nhiệt nhiều.
Xét về khả năng chịu dòng điện và điện áp, IGBT biến tần thường thấp hơn SCR một dải công suất. Bù lại, IGBT có ưu điểm lớn là đóng cắt nhanh và có thể bật/tắt chủ động bằng tín hiệu điện áp. IGBT ít gây tổn thất năng lượng, từ đó tăng hiệu suất chuyển mạch cho biến tần.
Trên đây là những thông tin quan trọng về IGBT trong biến tần chúng tôi tổng hợp và giới thiệu đến 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/.
