Bài giảng Điện tử công suất - Chương 1: Các linh kiện bán dẫn

CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 1. DIODE COÂNG SUAÁT CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN • Linh kieän khoâng ñieàu khieån • Coù caáu taïo goàm moät lôùp chuyeån tieáp p-n, 2 ñieän cöïc ngoaøi • Phöông phaùp cheá taïo : Khuyeách taùn nguyeân töû taïp chaát loaïi p vaøo moät maët cuûa phieán tinh theå Si loaïi n • Cöïc Anode noái vôùi lôùp p, Cathode noái vôùi lôùp n • Quaù trình ñoùng ngaét : Neáu VAK > 0 (ñieän aùp Anode döông hôn ñieän aùp Cathode) thì diode daãn (ñoùng), ngöôïc laïi diode ngaét 1. DIODE COÂNG SUAÁT: ĐẶC ĐIỂM 1. DIODE COÂNG SUAÁT: ĐẶC ĐIỂM CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN + Khaû naêng ñieàu khieån doøng ñieän (vaøi A → vaøi kA ) + Khaû naêng khoùa ñieän aùp (vaøi chuïc V → vaøi kV ) 1. DIODE COÂNG SUAÁT : ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 1. DIODE COÂNG SUAÁT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH Thôøi gian caàn thieát ñeå diode phuïc hoài khaû naêng chòu aùp khoaù khi quaù trình daãn thuaän chaám döùt – phuïc hoài nhanh - phuïc hoài chaäm CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 1. DIODE COÂNG SUAÁT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH Tính toán trr để đánh giá khả năng đóng ngắt với tần số phù hợp. (Example 2.1 – PE Handbook) Bài tập : Xem Tutorial 2.1 p.19, 20 PE Handbook CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 1. DIODE COÂNG SUAÁT: BẢO VỆ LINH KIỆN Giá trị dv/dt tra từ thông số kỹ thuật của linh kiện. CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 1. DIODE COÂNG SUAÁT: ĐỊNH MỨC LINH KIỆN Xem ví dụ 2.2 p.18 PE Handbook Định mức áp : VRRM – giá trị áp ngược tức thời lớn nhất trên diode Định mức dòng : IAV – giá trị trung bình dòng qua diode CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 2. TRANSISTOR COÂNG SUAÁT - Linh kieän ñieàu khieån baèng doøng vaø coù ba cöïc ngoaøi: Collector (C) , Emitter (E) vaø coång ñieàu khieån Base (B). + Maïch coâng suaát noái giöõa 2 cöïc C vaø E + Xung ñieàu khieån caáp vaøo giöõa 2 cöïc B vaø E - Transistor vaän haønh nhö moät khoùa ñoùng caét baùn daãn - BJT coâng suaát ñöôïc ñònh möùc ñeán 1200V vaø 400A. Chuùng thöôøng ñöôïc söû duïng trong caùc boä bieán ñoåi vaän haønh ñeán 10kHz. CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 2. TRANSISTOR COÂNG SUAÁT :ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 2. TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : ĐẶC TÍNH ĐỘNG CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 2. TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : MẠCH BẢO VỆ CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 2. TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : MẠCH KÍCH VCC C A E GND Q1 Q2 Q3 Q4 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 TX1 C2 D1 1 2 D2 1 2 C1 C3 3 CHỨC NĂNG : -CÁCH LY ĐIỆN - KHUẾCH ĐẠI - TẠO DẠNG XUNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 2. TRANSISTOR DARLINGTON Điều khiển dòng công suất IC bằng dòng điều khiển IB trị số thấp. hFE= IC/IB CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 3. MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂM CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 3. MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂM Sử dụng trong các bộ nguồn, bộ biến đổi DC- DC, bộ điều khiển động cơ... CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 3. MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂM + Linh kieän ñieàu khieån baèng aùp. Ñieän aùp gate-source VGS ñuû lôùn seõ ñoùng MOSFET. + VDS > 0 và VGS > 0 ⇒ ON VGS≤ 0 ⇒ OFF CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 3. MOSFET COÂNG SUAÁT - ĐẶC ĐIỂM + MOSFET coù caáu truùc diode ngöôïc kyù sinh . CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 3. MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂM + Coâng suaát toån hao nhieät ôû traïng thaùi ñoùng cuûa MOSFET cao hơn BJT. MOSFET ñieän aùp thaáp seõ coù ñieän trôû luùc daãn RDS(on) nhoû hôn 0.1Ω, tuy nhieân caùc MOSFET cao aùp coù ñieän trôû daãn leân ñeán vaøi Ω. + Ñònh möùc MOSFET khoaûng 1000V vaø 50A. CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 3. MOSFET COÂNG SUAÁT - Đặc tuyến Volt- Ampere CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 3. MOSFET COÂNG SUAÁT - Đặc tính động MOSFET ñoùng caét nhanh vaø ñöôïc söû duïng trong caùc boä bieán ñoåi vaän haønh vôùi taàn soá ñeán 100kHz vaø hôn. CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 3. MOSFET COÂNG SUAÁT - Mạch kích CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 4. TRANSISTOR IGBT CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 4. TRANSISTOR IGBT CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 4. TRANSISTOR IGBT - VCE > 0 và VGE > 0 ⇒ ON VGE≤ 0 ⇒ OFF -Khoâng coù khaû naêng khoùa aùp ngöôïc giaù trò lôùn hôn 10V -Ñònh möùc IGBT aùp U <= 1200 V, doøng I <= 1 KA -Taàn soá ñoùng ngaét cao hôn so vôùi BJT nhöng thaáp hôn MOSFET -IJBT coù theå laøm vieäc vôùi taàn soá ñoùng caét leân ñeán 20kHz CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 4. TRANSISTOR IGBT + Gioáng MOSFET , khaùc ôû ñieän trôû luùc IGBT ñoùng RCE ( ON ) nhoû hôn nhieàu so vôùi RDS(ON) MOSFET vì caáu truùc IGBT coù lôùp chuyeån tieáp pn ⇒ coù söï daãn ñieän baèng haït daãn khoâng cô baûn ⇒ doøng I ñieàu khieån ñöôïc ñoái vôùi IGBT lôùn hôn 5, 10 laàn so vôùi MOSFET + Coù tín hieäu aùp ñieàu khieån VGE ⇒ doøng qua lôùp pn phaân cöïc thuaän töø cöïc C ⇒ E. CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR - duøng cho maïch coâng suaát lôùn; - boán lôùp p, n vôùi 3 cöïc ngoaøi Anode (A), Cathode (K) vaø Gate (G); - maïch ñieàu khieån ñöôïc noái giöõa cöïc G & K . Maïch coâng suaát ñöôïc noái giöõa A & K ; - linh kieän ñieàu khieån baèng doøng. Xung doøng IG kích ñoùng SCR; - khoâng kích ngaét, doøng qua SCR ñang daãn if bò ngaét khi giaù trò doøng naøy thaáp hôn doøng duy trì If < Ih ≈ 0 - ñònh möùc SCR : aùp vaøi kV, doøng vaøi kA CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR Ba traïng thaùi cuûa SCR: a. Traïng thaùi khoùa aùp ngöôïc ( SCR ngaét ) V R G K A CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR Ba traïng thaùi cuûa SCR: b. Traïng thaùi khoùa aùp thuận ( SCR ngaét ) V R G A K CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR Ba traïng thaùi cuûa SCR: c. Traïng thaùi dẫn ( SCR đóng ) CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR Quaù trình ñoùng ngaét a. Hieän töôïng ñoùng maïch xaûy ra ( chuyeån töø ngaét ⇒ ñoùng ) khi - SCR ñöôïc ñaët ôû traïng thaùi khoùa aùp thuaän - Xung doøng IG > 0 ñöa vaøo coång GK Maïch töông ñöông cuûa SCR goàm 2 transistor maéc ñoái Collector vaø Base vôùi nhau, xung IG laøm 2 transistor nhanh choùng daãn baõo hoøa. Luùc SCR daãn, traïng thaùi cuûa noù gioáng diode neân doøng IG khoâng coøn caàn thieát nöõa ñeå duy trì traïng thaùi ñoùng SCR. CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR Quaù trình ñoùng ngaét b. Hieän töôïng ngaét maïch goàm 2 giai ñoaïn; Chuyeån töø ñoùng ⇒ ngaét Giai ñoaïn 1: Giai ñoaïn laøm doøng thuaän bò trieät tieâu baèng caùch thay ñoåi ñieän trôû hoaëc ñieän aùp giöõa anode vaø cathode ( ñaët aùp ngöôïc ) Giai ñoaïn 2: khoâi phuïc khaû naêng khoùa cuûa SCR Sau khi doøng thuaän bò trieät tieâu SCR caàn coù 1 thôøi gian ngaét an toaøn (tq) ñeå SCR coù theå chuyeån sang traïng thaùi khoùa aùp thuaän an toaøn. CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR - THỜI GIAN NGẮT AN TOÀN tq tq : sau khi phuïc hoài lôùp ñieän trôû nghòch cuûa J1 vaø J3 quaù trình ngaét vaãn chöa chaám döùt, caàn coù theâm moät thôøi gian nöõa ñeå khoâi phuïc khaû naêng khoùa aùp thuaän töùc laø khoâi phuïc ñieän trôû nghòch cuûa lôùp J2 . Thôøi gian ngaét an toaøn vì vaäy seõ ñöôïc ñònh nghóa : tq- Noù baét ñaàu khi doøng thuaän trôû veà khoâng cho ñeán khi xuaát hieän ñieän aùp khoùa thuaän maø SCR vaãn khoâng bò ñoùng trôû laïi khi chöa coù xung doøng ñieàu khieån IG. CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR - MẠCH KÍCH SCR VCC A - X1 R1 R2 R3 R4 R5 R6 Q2 Q1 TX1 D1 D2 K A G CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 5. THYRISTOR - MẠCH BẢO VỆ dV/dt dV/dt di/dt CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 6. GTO – Gate turn off thyristor CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 6. GTO – Gate turn off thyristor - Thyritor GTO cuõng gioáng nhö SCR, ñöôïc ñoùng baèng xung doøng coång Gate neáu ñieän aùp anode- cathode döông. - GTO coù khaû naêng ñieàu khieån ngaét baèng doøng coång Gate giaù trò aâm. - Doøng aâm ngaét GTO caàn phaûi ngaén (vaøi µs), nhöng bieân ñoä phaûi raát lôùn so vôùi doøng ñoùng GTO vaø thoâng thöôøng doøng kích ngaét GTO khoaûn 1/3 doøng anode ôû traïng thaùi daãn. - Ñaëc tuyeán V-A cho GTO gioáng cuûa SCR. - Ñònh möùc GTO : doøng vaøi kA , aùp vaøi kV: Duøng cho maïch coâng suaát lôùn CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 6. GTO – Gate Turn Off Thyristor U1 U2 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 Q5 Q4A Q2A C1 X1 + - PS1 PS2 Xung ñoùng Xung ngaét A K G Q1 Q3 +VGG -VGG ON OFF CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN 6. TriAc - Linh kieän ñieàu khieån doøng xoay chieàu vaø coù 1 coång ñieàu khieån. - Kích ñoùng baèng xung doøng ñieàu khieån gioáng SCR - Ngaét töï nhieân baèng aùp ngöôïc G A1 A2 CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN CHÖÔNG 1 CAÙC LINH KIEÄN BAÙN DAÃN