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

MÔN HỌC 1 Đ IỆN TỬ CÔNG SUẤT TS. Nguyễn Tiến Ban 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS.TSKH THÕN NGỌC HOÀN ( 2004) ĐIỢ̀N T Ư ̉ CỤNG SUṌT NHÀ XUṌT BẢN XÕY D Ư ̣NG, HÀ NỤ̣I. [2]. NGUYỜ̃N BÍNH ( 1999) ĐIỢ̀N T Ư ̉ CỤNG SUṌT NHÀ XUṌT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUỌ̃T, HÀ NỤ̣I [ 3 ]. PGS.TS LỜ VĂN DOANH - CYRIL W. LANDER ( 1994) ĐIỢ̀N T Ư ̉ CỤNG SUṌT VÀ ĐIỜ̀U KHIỜ̉N ĐỤ̣NG C Ơ ĐIỢ̀N NHÀ XUṌT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUỌ̃T, HÀ NỤ̣I. [4]. PGS.TS LỜ VĂN DOANH ( 2004 ĐIỢ̀N T Ư ̉ CỤNG SUṌT NHÀ XUṌT BẢN KH VÀ KT, HÀ NỤ̣I [5]. PHẠM QUỤ́C HẢI , D ƯƠ NG VĂN NGHI ( 1999) PHÕN TÍCH VÀ GIẢI MẠCH ĐIỢ̀N T Ư ̉ CỤNG SUṌT NHÀ XUṌT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUỌ̃T, HÀ NỤ̣I [6]. VÕ MINH CHÍNH , PHẠM QUỤ́C HẢI, TRÕ̀N TRỌNG MINH ( 2004). ĐIỢ̀N T Ư ̉ CỤNG SUṌT NHÀ XUṌT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUỌ̃T, HÀ NỤ̣I [7]. BIMAL K. BOSE (1998) POWER ELECTRONICS AND VARIABLE FREQUENCY DRIVER THE INSTITUTE ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, INC,NEW YORK 3 NỘI DUNG MÔN HỌC CH ƯƠ NG 1. CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CH ƯƠ NG 2. CHỈNH L Ư U CH ƯƠ NG 3. BỘ BIẾN Đ ỔI Đ IỆN ÁP XOAY CHIỀU CH ƯƠ NG 4. BỘ BIẾN Đ ỔI Đ IỆN ÁP MỘT CHIỀU CH ƯƠ NG 5.NGHỊCH L Ư U VÀ BIẾN TẦN. CH ƯƠ NG 6. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CỤNG SUẤT. Chương 1 4 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN MỘT SỐ LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA  Đ IỆN TỬ CÔNG SUẤT( Đ T C S) 5 MỘT VÀI VÍ DỤ ỨNG DỤNG Đ IỆN TỬ CÔNG SUẤT Ứng dụng các bộ biến đổi ĐTCS giúp tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng đáp ứng của thiết bị. 6 S Ơ Đ Ồ CHỨC N Ă NG BỘ BIẾN Đ ỔI 7 BỘ ỔN ÁP TUYẾN TÍNH 8 BỘ ỔN ÁP XUNG 9 BỘ ỔN ÁP XUNG 10 CHẾ Đ Ộ HOẠT Đ ỘNG CỦA BỘ BIẾN Đ ỔI 11  CÁC LINH KIỆN Đ IỆN TỬ CÔNG SUẤT THÔNG DỤNG  12 DIODE - Đ I ỐT 13 14 CÁC THÔNG SỐ C Ơ BẢN CỦA MỘT DIODE DÒNG Đ IỆN THUẬN I D : GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH CỦA DÒNG Đ IỆN CHO PHÉP CHẠY QUA DIODE THEO CHIỀU THUẬN I D ĐÂY LÀ GIÁ TRỊ LỰA CHỌN DIODE CHO ỨNG DỤNG THỰC TẾ ĐIỆN ÁP NG Ư ỢC U NG.MAX : GIÁ TRỊ Đ IỆN ÁP NG Ư ỢC LỚN NHẤT MÀ DIODE CÓ THỂ CHỊU DỰNG ĐƯ ỢC. LUÔN LỰA CHỌN: U AK < U NGUOC MAX 3. THỜI GIAN PHỤC HỒI T R : THỜI GIAN CHUYỂN MẠCH Đ Ể PHÂN CHIA DIODE TH Ư ỜNG, CẮT NHANH VÀ CỰC NHANH ( MICRO GIÂY) VÀ Đ IỆN TÍCH PHỤC HỒI Q R CẦN ĐƯ A RA KHỎI CẤU TRÚC Đ Ể DIODE KHOÁ THYRISTOR (SCR) 15 THYRISTOR (SCR) 16 17 Thyristor ( T ) có 3 lớp tiếp giáp J 1 , J 2 và J 3 và 3 cực A, K và cực đ iều khiển G Đặc tính V – A của T có 2 phần : Thuận nằm tại góc 1/4 I với U AK > 0 còn ng ư ợc nằm tại III có U AK < 0. Khi không có dòng đ iều khiển I G = 0 thì phải t ă ng U AK đ ến một giá trị lớn T mới mở. Lúc đ ó T coi nh ư bị đ ánh thủng. Khi có dòng đ iều khiển I G >0 lúc đ ó T sẽ chuyển mạch. Tuỳ thuộc vào đ ộ lớn của I G mà T sẽ mở sớm hay muộn. 18 MỞ VÀ KHOÁ THYRISTOR T ĐƯ ỢC MỞ VỚI HAI Đ IỀU KIỆN : + U AK > 0, + XUNG DÒNG Đ IỆN ĐƯ A VÀO CỰC G KHI T Đ Ã MỞ, NẾU TỒN TẠI I DT DUY TRÌ THÌ T TIẾP TỤC DẪN, KHÔNG CẦN TÁC Đ ỘNG DÒNG Đ IỀU KHIỂN : CÓ THỂ Đ /K MỞ T BẰNG XUNG DÒNG CÓ Đ Ộ RỘNG XUNG NHẤT Đ ỊNH. T KHOÁ: I < I DT DUY TRÌ. T CHỈ KHOÁ HOÀN TOÀN KHI CÓ U AK < 0 19 MẠCH KÍCH CHO T 20 21 CÁC THÔNG SỐ C Ơ BẢN CỦA THYRISTOR DÒNG I V : DÒNG TRUNG BÌNH CHO PHÉP CHẠY QUA T KHI LỰA CHỌN CHÚ Ý: + LÀM MÁT TỰ NHIÊN: DÒNG SỬ DỤNG CHO PHÉP: I = 1/3 I V + LÀM MÁT C Ư ỠNG BỨC BẰNG QUẠT GIÓ: DÒNG SỬ DỤNG CHO PHÉP: I = 2/3 I V + LÀM MÁT C Ư ỠNG BỨC BẰNG N Ư ỚC : DÒNG SỬ DỤNG CHO PHÉP: I = I V 22 2. Điện áp ng ư ợc cho phép lớn nhất, U Ng.max Lựa chọn U Ng.max = (1,2 đ ến 1,5) U sử dụng thực tế trong mạch 3. Thời gian phục hồi: Thời gian dành cho quá trình khoá t = (1,5 đ ến 2) t r 4. Tốc đ ộ t ă ng đ iện áp cho phép dU/dt ( V/ micro giây) + Với T tần số thấp dU/dt = 50 đ ến 200 V/ micro giây + Với T tần số cao dU/dt = 500 đ ến 2000 V/ micro giây 5. Độ t ă ng dòng cho phép dI/ dt ( A/ micro giây) + Với T tần số thấp dI/dt = 50 đ ến 200 A/ micro giây + Với T tần số cao dI/dt = 500 đ ến 2000 A/ micro giây  Transistor công suất BJT (Bipolar Junction Transistor) 23 24 25 Cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn npn hoặc pnp tạo nên 2 tiếp giáp pn, vì dòng chạy trong 2 lớp tiếp giáp gồm cả hai loại điện tích âm và dương nên mới được gọi là bipolar ( hai cực tính) Thực chất đây là phần tử khuếch đại song trong điện tử công suất chỉ sử dụng như một phần tử khoá. Khi mở phải thoả mãn đ/k: Hay: Trong đó: Khi đó transistor sẽ ở chế độ bão hoà, điện áp: U EC = 1 – 1,5 V Transistor công suất BJT (Bipolar Junction Transistor) 26 27 Output characteristic I C = f ( U CE ) Thông số biến thiên là dòng I B . Đặc tính vẽ với các giá trị khác nhau của I B trong vùng 1. Đặc tính U CE = U – R.I C . Điểm cắt nhau là điểm làm việc. 28 Vùng nghịch với I B = 0. Transistor ở chế độ ngắt, dòng I C0 có giá trị không đáng kể. Cần hạn chế điện áp ngược trên U BE vì khả năng chịu điện áp ngược trên Emitor khá nhỏ. Vùng bão hoà nằm giữa đường giới hạn a với giới hạn bão hoà b. Điểm làm việc nằm trong vùng bão hoà, transistor sẽ đóng (điểm ĐÓNG), dòng I C dẫn và điện thế U CE đạt giá trị U CESAT gọi là điện thế bão hoà ( transistor bão hoà). 29 Đặc tính động: Thời gian đóng T. on trong khoảng vài miligiây. Thời gian T. off kéo dài hơn vượt quá 10 miligiây. Hệ quả không tốt của đóng ngắt quá độ là tạo nên công suất tổn hao không cần thiết. Công suất tổn hao làm giới hạn dãy tần số hoạt động của transistor Thực chất của chế độ đóng ngắt chính là sự chuyển đổi điểm làm việc thông qua vùng tích cực từ điểm ĐÓNG đến điểm NGẮT. 30 Hệ số khuếch đại tĩnh của dòng: Các transistor công suất lớn hệ số khuếch đại tĩnh chỉ khoảng 10 – 20 . Để tăng HS KĐ người ta mắc dạng Darlington. Bất lợi của darlington là thời gian đóng tăng lên, tần số đóng ngắt bị giảm. Thường các sơ đồ này có thời gian trễ từ vài trăm nano giây đến vài micro giây. BJT (Bipolar Junction Transistor) 31 32 Để tăng tần số đóng cắt của transistor công suất, cần giảm thời gian T.on và T. off. Ở đầu giai đoạn phải đưa dòng I B với đỉnh khá lớn. Khi T dẫn thì giảm I B đến giá trị dòng bão hoà. 33 Kích ngắt: Nếu điện áp U B giảm xuống giá trị âm U 2 < 0, điện áp ngược đặt lên BE bằng tổng điện áp U B và U C . Gai dòng I B xuất hiện, sau khi C 1 xả hết, điện áp trên BE xác lập bằng U 2 34 35 36 37 TRANSISTOR TR Ư ỜNG, MOSFET ( METAL-OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD-EFFECT TRANSISTOR) 38 MOSFET được điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển rất nhỏ. MOSFET có hai loại pnp và npn. Giữa lớp kim loại ở mạch cổng G và các mối nối n+ và p có lớp điện môi silicon oxit SiO 2 . Hai cực còn lại là cực gốc S ( Source – Emittor) và cực máng D ( Drain – Collector). Khi đặt điện áp dương lên cổng G và source, tác dụng của điện trường FET sẽ kéo các electron từ lớp n+ vào p tạo điều kiện hình thành kênh dẫn gần cổng G. MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ đóng ngắt nhanh và tổn hao cho đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn lớn nên tổn hao trong quá trình làm việc lại cao nên không thể phát triển thành linh kiện điện tử công suất lớn................................................................... 39 40 MOSFET 41 42 MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị U GS. Để MOSFET ở trạng thái đóng, điện áp cổng phải tác dụng liên tục. Thời gian đóng ngắt rất nhỏ từ vài ns( nano giây ) đến vài trăm ns phụ thuộc vào linh kiện Điện trở trong của M khi dẫn R on thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện 43 Mạch kích sử dụng totem-pole gồm 2 transistor npn và pnp. Khi điện áp U 1 ở mức cao Q 1 dẫn,Q 2 khoá làm M dẫn. Khi điện áp U 1 thấp, Q 1 khoá, Q 2 dẫn làm các diện tích trên mạch cổng được giải phóng, M ngắt điện. Tín hiệu U 1 có thể lấy từ mạch collector mở( open collector TTL) và totem – pole đóng vai trò mạch đệm ( buffer). Giảm thời gian kích đóng t on sử dụng mạch a/ 44 M gần như không cần bảo vệ. Có thể sử dụng RC mắc thêm ở cửa ra. 45 GTO ( GATE TURN-OFF THYRISTOR) T th ư ờng đư ợc khoá lại một cách tự nhiên theo đ iện áp l ư ới. Mạch một chiều, cực tính đ iện áp không đ ổi trong suốt quá trình làm việc – T không khoá tự nhiên đư ợc, phải sử dụng các mạch khoá c ư ỡng bức phức tạp GTO – khoá đư ợc bằng cực đ iều khiển GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 46 Cực đ iều khiển có dòng đ ể mở GTO theo h ư ớng đ i vào – Dòng đ i ra đ ể di chuyển các đ iện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn, đ ể khoá . 47 48 Dòng duy trì ở GTO cao hơn T do cấu trúc khác nhau. Khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn ý nghĩa: như vậy có thể dùng xung ngắn, công suất nhỏ. Khi GTO đang dẫn dòng, tiếp giáp J 2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do hiệu ứng “bắn phá vũ bão”. Phải lấy các điện tích này đi, vùng dẫn mới co hẹp lại. Dòng Anot về 0 . Dòng đ/k phải duy trì thời gian để GTO khoá chắc chắn. 49 Mạch điều khiển GTO 50 51 MẠCH BẢO VỆ GTO Quá trình ngắt GTO đòi hỏi sử dụng dòng xung kích thich dài, GTO chịu du/dt và di/dt kém nên cần phải giới hạn một trị số an toàn. Tụ điện trữ năng lượng khi cần thiết, diode cắt bớt xung gai. Cầu chì chống ngắn mạch. GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 52 53 IGBT INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR 54 IGBT mang hai ưu điểm: + Đóng cắt nhanh của MOSFET, + Chịu tải lớn của transistor thường. Đặc điểm: + Điều khiển được bằng điện áp: Công suất y/c nhỏ, + Cấu trúc giống một transistor pnp với dòng Bazơ được điều khiển bởi một MOSFET 55 IGBT - INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR 56 Nguyên lí điều khiển: Dưới tác dụng của điện áp điều khiển U GE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử hình thành ( giống như cấu trúc MOSFET). Các điện tử di chuyển về phía colector vượt qua lớp tiếp giáp n-p ( như cấu trúc giữa Bazơ và colector ở transistor thường) tạo nên dòng colector IGBT ( INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) 57 58 Đặc tính đóng cắt của IGBT Do cấu trúc p-n-p nên điện áp thuận U CE trong chế độ dẫn dòng thấp hơn so với MOSFET, nhưng thời gian đóng cắt chậm đặc biệt khi khoá. Dòng qua IGBT gồm 2 thành phần: + I 1 dòng qua MOSFET + I 2 dòng qua transistor Dòng I 1 khoá nhanh, I 2 không thể suy giảm nhanh do điện tích tích luỹ tại lớp n - 59 Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển IGBT IGBT mở bằng tín hiệu điện áp : Điện áp phải có mặt liên tục trên cực điều khiển G và E để xác định chế độ mở, khoá. Tín hiệu mở có biên độ U GE , tín hiệu khoá có biên độ - U GE cung cấp qua điện trở R G . Mạch GE được bảo vệ bởi ổn áp +/- 18V MCT (MOS-Controlled Thyristor) 60  Khả năng đóng ngắt của các khóa bán dẫn thông dụng 61 Khả năng tải & đóng cắt của các linh kiện ĐTCS hiện nay 62