Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 1: Dụng cụ bán dẫn công suất

CHƯƠNG 1 DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT Điốt công suất Transistor công suất Thyristor Triac GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN Pha thêm nguyên tố nhóm V (lớp ngoài cùng có 5 điệntử), 4 điệntử sẽ ghép với điệntử lớp ngoài của nguyên tố Si chỉ còn lại1 điệntử. Điệntử này dễ bị tách khỏilớp ngoài của nguyên tố nhóm V để trở thành điệntử tự do di chuyển trong cấutrúctinhthể. Bán dẫnloạin GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN (tiếp) Pha thêm nguyên tố nhóm III (lớp ngoài cùng có 3 điệntử tự do), chúng sẽ ghép với điện tử lớp ngoài của nguyên tố Si kếtquả xuấthiệnlỗ trống bên trong cấutrúctinhthể, nó có khả năng nhậnthêmmột điện tử. Bán dẫnloạip ĐIỐT CÔNG SUẤT Cấutrúcvànguyênlýhoạt động a) Trạng thái bình thường, điốt không dẫn b) Khi điệnápthuận đặtvàođiốt c) Khi điệnápngược đặtvàođiốt ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp) Đặctínhvôn-ampe Đặc tính chia làm hai phần: - Nhánh phân cựcthuận, điốtdẫn - Nhánh phân cựcngược, điốt khóa V f : điệnáprơitrênđiốt I r : dòng điệnrò Vb : điệnápđánh thủng ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp) Thông sốđiệncơ bản - ĐiệnápthuậnrV f ơitrênđiốt theo chiềutừ A đến K khi điốtmở hoàn toàn. - Điệnápđánh thủngVb xảyrakhiđiốtbị phá hủy do điện áp ngượcvượt quá ngưỡng chịu đựng củalớptiếp giáp. - Dòng điệnròI r chảytrongđiốtkhichịu điệnápngược. -Thờigianphụchồithuậntínhtt fr ừ lúc xuấthiện dòng điệnthuận đếnkhiđiệnáprơitrênđiốtxáclập. -Thờigianphụchồingượctrr tính từ lúc bắt đầuxuất hiện điệnápngược đến khi dòng điệnròxáclập ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp) Ví dụ quá trình chuyểntrạng thái từ dẫn sang khóa a) Quá trình quá độ không dao động b) Quá trình quá độ có dao động tắtdần ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp) Hình ảnh điốt công suất Điốt kép MUR3060 của hãng Motorola IAF = 30 VVRRM = 600 VVF =1.12 tnsrr =−35 60 TRANSISTOR CÔNG SUẤT Giớithiệu BJT MOSFET TRANSISTOR CÔNG SUẤT - BJT Cấutrúcvànguyênlýhoạt động iC = βiB TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Cấutrúcvànguyênlýhoạt động (tiếp) BJT công suấtchịu điệnáplớn khi khóa, dẫn dòng lớnkhi đóng. BJT công suất TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Đặctínhvôn–ampe Quan hệ giữa điệnáphai cực và dòng điệnchảy qua các cực. TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Đặctínhvôn–ampe(tiếp) SOA là yếutố rất được quan tâm khi BJT hoạt động ở chếđộbăm xung TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Chếđộhoạt động băm xung Tốc độ chuyểntrạng thái là yếutố quan trọng. tri thờigianđilêncủa iC t fi thờigianđixuống của iC ts thờigianphụchồi td thờigiantrễ ton thời gian BJT chuyển trạng thái dẫn toff thời gian BJT chuyển trạng thái khóa TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Hình ảnh BJT 2N5038 của hãng ON, loại BJT npn IAB max = 5 IAcontApulC max = 20 ( ) / 30 ( ) VVCE0 = 90 Ploss max =140W BUF410A của hãng ST, loại BJT npn IAB max = 3 IC max =15 A ( cont ) / 30 A ( pul ) VVCE0 = 250 Ploss max =125W TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET Cấutrúcvànguyênlýhoạt động Cấu trúc phân lớp theo chiềuthẳng đứng. Mở bằng áp, yêu cầu cầu dòng mở rấtnhỏ. Có hai loạicấutrúc phổ biến: ech và dep. TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Đặctínhvôn-ampe TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Đặctínhvôn–ampe(tiếp) SOA là yếutố rất được quan tâm khi MOSFET hoạt động ở chếđộ băm xung TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Chếđộhoạt động băm xung Đặctínhđóng mở củaMOSFET cũng tương đốigiống như BJT tuy nhiên do cấutrúccósự khác biệt nên thông sốảnh hưởng đếnchếđộhoạt động cũng tương đốikhác. Trong vùng tuyến tính, điệntrở dẫncRDSon() ủa MOSFET không đổi. Từđóxácđịnh đượcáprơi và công suất U DS tổn haoPloss URIDSDSonD= () 2 PIRlDDSonoss= ( ) TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Chếđộhoạt động băm xung (tiếp) Tích hợp điốtngược bên trong vỏ linh kiện đốivới MOSFET. Nó đóng vai trò phầntử hoàn năng lượng khi MOSFET chuyểntrạng thái từ dẫn sang khóa. TụđiệnkýsinhgiữahaicựcMOSFET ảnh hưởng đến đặctínhđóng cắtcủa phầntử, ảnh hưởng càng lớnkhitần sốđóng cắtcànglớn. TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Hình ảnh MOSFET IRF634 của hãng International Rectifier, MOSFET enh, kênh n RDS() on = 0.45Ω IAD = 8.1 VVDSS = 250 tton,30 off < ns Ploss max = 74W NTMS4816N của hãng ON, loạiMOSFET enh kênh n RDS() on = 0.016Ω (4.5V ) IAD =11 VVDSS = 30 tton,20 off < ns Ploss max =1.37W THYRISTOR Cấutrúcvànguyênlýhoạt động -Chịu được điệnápđặtlớnkhi không dẫn -Khả năng dẫnphụ thuộc vào giá trị dòng điện điềukhiển - Chuyểntrạng thái khóa khi dòng dẫnthấphơngiớihạn cho phép iA = I H THYRISTOR (tiếp) Đặctínhvôn-ampe -1: Đoạn khóa thuận -2: Đoạndẫn -3: Đoạn khóa ngược THYRISTOR (tiếp) Thông sốđiệncơ bản - Dòng điện định mứcdẫn Ion - Điệnápngượccực đại U RBD - Điệnáprơi trên thyristor khi dẫn U f - Điệnápđiềukhiển U G - Dòng điện điềukhiển IG -Tốc độ tăng dòng điện di / dt -Tốc độ tăng điệnápdv/ dt - Dòng điệnròI r THYRISTOR (tiếp) Hình ảnh thyristor Thyristor kép MSS40 của hãng ST I F = 55A IG = 50mA VFBD = 800V VG =1.3V di / dt = 50A/ µs dv / dt =1000V / µs LS43__50 của hãng POWEREX I F = 900A IG = 200mA VFBD =1600V VG = 3V di / dt = 200A/ µs dv / dt =1000V / µs TRIAC Cấutrúcvànguyênlýhoạt động - Hai phầntử thyristor đấungược nhau -Cực điềukhiển đấu chung - Chuyểntrạng thái khóa khi dòng dẫnthấphơngiớihạn cho phép hoặckhiIG = 0 TRIAC (tiếp) Đặctínhvôn-ampe -Gócphầntư thứ nhất ứng với VT 2 >VT1 -Gócphầntư thứ hai ứng với VT1 >VT 2 TRIAC (tiếp) Hình ảnh triac BTA06 của hãng ST RDS() on = 0.45Ω IAD = 8.1 VVDSS = 250 tton,30 off < ns Ploss max = 74W