Bài giảng Điện tử công suất - Chương 1: Mở đầu (Mới)
Các thyristor cho nhu cầu thông thường đươc chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay đổi từ 400V đến 12kV và dòng điện từ 1000A đến 5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh, khả năng dòng đạt đến 800-1.500A và điện áp 1.200- 2.500V. Các linh kiện IGBT dạng modul được chế tạo với khả năng chịu được điện áp/ dòng điện 1,7- 3,3kV/400-1.200A
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Điện tử công suất - Chương 1: Mở đầu (Mới), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
CHƯƠNG 1: M Đ U LINH KU N ðI N T CÔNG SU TT
oo LINH KI N ðI N T CÔNG SU T Các linh kiện công suất giao hoán có
những đặc tính sau:
1.1. ð c tính c a công t c bán d n • Tốc độ giao hoán nhanh.
• Giảm thiểu công suất tiêu tán.
2.2. Diode Diode côngcông su t
• Cho phép điều khiển các tải nặng (dòng tải lớn
3.3. Transistor Transistor côngcông su t hay điện trở tải nhỏ).
• Có gắn các bộ vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC.
H 4.4. rotsyiTrhThyristor H • Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng
5.5. T ng k t là: Diode,Transistor, Mosfet, SCR, TRIAC, GTO,
SCS, IGBT, MCT
11:33 AM 11 11:33 AM 22
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN
o
Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0)
Do tính chất của chất bán dẫn nên khi
v,i
chịu tác động của xung kích, dạng sóng ngõ
Hiệu điện thế V
ra có dạng như ở hình
t
Dòng điện I
Đặc tuyến giao hoán được biểu diễn từ t t
off swon
trạng thái tắt (off ) sang trạng thái dẫn (on )
và từ trạng thái dẫn (on ) sang trạng thái
ngưng11:33 AM (off ) 33 11:33 AM 44
1
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN
o o
Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0)
v,i v,i
Hiệu điện thế V Hiệu điện thế V
t t
Dòng điện I Dòng điện I
toff tswon toff tswon ton
11:33 AM 55 11:33 AM 66
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN
o o
Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0)
v,i v,i
Hiệu điện thế V
Dòng điện I
Chọn t=0
t t
Dòng điện I Hiệu điện thế V
toff tswon ton tswoff toff tswon ton tswoff
t t
v = V 1− i = I
tswon tswon
11:33 AM 77 11:33 AM 88
2
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN
o o
Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0)
v,i v,i
p p
poff=0 pswon on=0 swoff Công suất p
Dòng điện I Dòng điện I
Chọn t=0 Chọn t=0
t t
Hiệu điện thế V Hiệu điện thế V
toff tswon ton tswoff toff tswon ton tswoff toff tswon
t t t t t t
v = V 1− i = I v = V 1− i = I p = vi = VI1−
t t t t
swon swon swon swon tswon tswon
11:33 AM 99 11:33 AM 01 01
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN
o
Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0)
Năng lượng thất thoát trong thời gian
v,i
tswon 1
W = pdt = VIt
khởi dẫn bằng: swon ∫ swon Hiệu điện thế V
0 6
Năng lượng thất thoát trong thời gian
Dòng điện I
t r
swoff 1 t
khởi ngưng: Wswoff = pdt = VItswoff
∫ toff tswon ton
0 6
Năng lượng thất thoát tổng cộng trong
1
chu kỳ giao hoán bằng: Wsw = Wswon +Wswoff = VI(tswon + t swoff )
6
11:33 AM 11 11 11:33 AM 21 21
3
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN
o o
Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0)
v,i v,i
Hiệu điện thế V
Dòng điện I F
Dòng điện I r Hiệu điện thế V F
t t
toff tswon ton toff tswon ton
11:33 AM 31 31 11:33 AM 41 41
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN
o o
Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0)
v,i v,i
Dòng điện I F
Dòng điện I F
Chọn t=0
Hiệu điện thế V F Hiệu điện thế V F
t t
toff tswon ton tswoff toff tswon ton tswoff
t t t t
i = I ;v = −(V −V f ) + V = V 1− +V f
tswon tswon tswon tswon
11:33 AM 51 51 11:33 AM 61 61
4
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN
o o
Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) Trường hợp công tắc không lý tưởng (Vf ≠0)
p v,i
v,i swon pswoff Công suất p
p ≠0
poff ≠0 on
Dòng điện I F
Dòng điện I F
Chọn t=0
Hiệu điện thế V Chọn t=0 Hiệu điện thế V
F F V t
t F
toff tswon ton tswoff toff tswon
toff tswon ton tswoff
t t t t
i = I ;v = −(V −V ) + V = V 1− +V
t t t t t f t t f t
i = I ;v = −(V −V ) + V = V 1− +V swon swon swon swon
t f t t f t
swon swon swon swon t t 2
p = vi = VI − ()V −V f I 2
tswon tswon
11:33 AM 71 71 11:33 AM 81 81
1. ð C TÍNH CÔNG T C BÁN D NN 2. DIODE CÔNG SU T T
Năng lượng thất thoát trong thời gian o Diode ch nh lưu
t
swon 1 1 1 1
W = pdt = VIt + V It = VI +V I t
khởi dẫn bằng: swon ∫ swon f swon f swon Diode công suất hoạt động như diode
0 6 3 3 2
Năng lượng thất thoát trong thời gian công suất nhỏ (nối p n) nhưng với dòng
t
swoff 1 1 1 1 điện lớn từ vài chục đến vài trăm Ampe.
khởi ngưng: Wswoff = pdt = VItswoff + V f Itswoff = VI +V f I tswoff
∫ 6 3 3 2
0 J
Năng lượng thất thoát tổng cộng trong AKp n
1 1
Wsw = Wswon +Wswoff = VI +V f I ()tswon + tswoff
chu kỳ giao hoán bằng: 3 2
11:33 AM 91 91 11:33 AM 02 02
5
2. DIODE CÔNG SU T T 2. DIODE CÔNG SU T T
o Phân cực Diode
• Phân c c thu n o Thời gian phục hồi:
• Phân c c ngh ch Khi diode đang dẫn thình lình chuyển sang
p
p n
n
trạng thái ngưng, diode không thể ngưng
ngay mà có thời gian chuyển tiếp do sự hồi
Etx
Etx
Engoài
Engoài
+ + phục của các hạt tải trong nối p n làm dòng
và thế có dạng như hình
11:33 AM 12 12 11:33 AM 22 22
2. DIODE CÔNG SU T T 2. DIODE CÔNG SU T T
o Đồ thị thời gian chuyển tiếp của Diode
o Công suất thất thoát của diode công suất
di R/dt
di F/dt
Q =I .t /2 PT = PON + POFF + Psw
IF rr RM rr 0,25.I RM
t tON
I P = V I
RM ON F F T
t t
3 4 t5
trr t
VON OFF
V P = V I
F OFF R R T
t
V
t t R
1 2 S=t /t VRM 1
5 4 P = P + P = V I ()t + t f
sw swon swoff 6 CC F swon swoff
11:33 AM 32 32 11:33 AM 42 42
6
2. DIODE CÔNG SU T T 2. DIODE CÔNG SU T T
o Diode Schottky o Diode Schottky
Diode • Diode schottky đóng ngắt tốt ở tần số cao
schottky
• VD nhỏ hơn bình thường, chỉ 0.3 0.5V
thường
• Diode Schottky dùng kim loại bán dẫn
được chế điện
tạo bằng
• Diode Schottky thường gặp là 1N5817
Cấu tạo – Ký hiệu chất GaAs
11:33 AM 52 52 11:33 AM 62 62
2. DIODE CÔNG SU T T 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o
Diode Schottky o BJT (Bipolar Junction Transistor)
I (mA) Diode
D Diode
(silicon)
Schottky B E B E
p p p n n n
n n p p
p n
VD(Volt)
0 0,2 0,4 0,6 0,7 p n
C C
collector collector
Diode
Diode Schottky
(silicon)
PNP NPN
base base
BJT BJT
emitter emitter
11:33 AM 72 72 11:33 AM 82 82
7
3. TRANSISTOR CÔNG SU TT 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o Đặc tuyến của BJT o Trạng thái đóng ngắt của transistor công suất
11:33 AM 92 92 11:33 AM 03 03
3. TRANSISTOR CÔNG SU TT 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o M ch b o v BJT
ic
o Công suất thất thoát của BJT VCC
Ic
• Khi transistor dẫn bão hòa, ta có:
t
tON tON D R i 0 t
P = ()V I +V I ≈ V I s f
ON CEbh CM BEbh B T CEbh CM T
Is
• Khi transistor ngưng dẫn và dòng rỉ Ir
B Q t
t v 0 t
P = V I OFF Cs CE f
rất bé, ta có: OFF CC r T
1
P = P + P = V I ()t + t f t
sw swon swoff 6 CC F ()max swon swoff
11:33 AM 13 13 11:33 AM 23 23
8
3. TRANSISTOR CÔNG SU TT 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor)
o MOSFET: hình
thành hai dòng
song song như
sơ đồ cấu trúc
tương đương
11:33 AM 33 33 11:33 AM 43 43
3. TRANSISTOR CÔNG SU TT 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o
Đặc tuyến của MOSFET o Hoạt động của MOSFET
Ngu nnVVG1 G1
11:33 AM 53 53 11:33 AM 63 63
9
3. TRANSISTOR CÔNG SU TT 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o Hoạt động của MOSFET o Hoạt động của MOSFET
Ngu nnVVG2 G2 Ngu nnVVG3 G3
11:33 AM 73 73 11:33 AM 83 83
3. TRANSISTOR CÔNG SU TT 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o M ch b o v cho MOSFET
o Công suất thất thoát của MOSFET
• Khi MOSFET dẫn bão hòa, ta có:
t
P = I 2 R ON
ON D DS ()on T
• Khi MOSFET ngưng dẫn và dòng rỉ Ir
t
P = V I OFF Mạch RC nhỏ mắc song song với ngõ ra của linh
rất bé, ta có: OFF DS max r T
kiện để hạn chế tác dụng các dãy điện áp và các
1
P = P + P = V I ()t + t f
sw swon swoff 6 nguon F ()max swon swoff xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đóng
11:33 AM 93 93 11:33 AM 04 04
10
3. TRANSISTOR CÔNG SU TT 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) o Mạch tương đương IGBT
oLà linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động
nhanh và công suất lớn của Transistor với điện
thế điều khiển lớn ở cực cổng của MOSFET:
Cách đi n E
E G E
nn n n
p p
n-
G
p+
C
C
11:33 AM 14 14 11:33 AM 24 24
3. TRANSISTOR CÔNG SU TT 3. TRANSISTOR CÔNG SU TT
o Đặc tuyến của IGBT
o Công trên tải
2
VL
• Công suất trung bình cấp cho tải: PL =
RL
V t
V = cc ON
Với thời gian dẫn tON , ta có: L T
V 2 t
s ON
PL =
RL T
o Công suất tiêu tán tổng cộng giao hoán:
Psw = Pswon + Pswoff = 1 6(VCE max .Icmax )(tswon + tswoff )f sw
11:33 AM 34 34 11:33 AM 44 44
11
4. H THYRISTOR 4. H THYRISTOR
Gồm các linh kiện công suất có cấu trúc gần với
o SCR (Silicon Controlled Rectifier)
Thyristor (SCR gọi theo phòng thí nghiệm Bell từ năm
J
1 J2 J3
1956) và các linh kiện kích cho các linh kiện công A K
p n p n
suất theo bảng tóm tắt sau: 1 1 2 2
Họ Thyristor
Mạch kích UJT
Đơn hướng Lưỡng hướng
(4 lớp) (5 lớp)
Đơn hướng Lưỡng hướng
(4 lớp)
SCR SCS LASCR TRIAC (5 lớp) (3 lớp)
0,8 1000A 0,2A 0,7A 0,5 80A
SUS SBS Diac
100 1000V 100V 100 600V 100 600V
0,2A Diode 0,2A 0,2A
6 10V Shockley 6 10V 6 10V
11:33 AM 54 54 11:33 AM 64 64
4. H THYRISTOR 4. H THYRISTOR
i
J1 J2 J AK
3 o SCR (không
p p
A 1 n1 2 n2 K o Có thể xem SCR như gồm 2 transistor
thông dụng)
npn và pnp ghép “ khoá chặt” như ở hình
i loại kích dòng
AG G
đi ra cực G n1 n2 K
o SCR (thông
iAK
J1 J2 J3 T
+ _ 2
dụng) loại kích A p1 n1 p2 n2 T1 α 2 IG + (ICBO1 + ICBO2 )
K I =
p p A
1 2 1− ()α1 +α 2
dòng đi vào i A
G GK G
cực G +
11:33 AM 74 74 11:33 AM 84 84
12
4. H THYRISTOR 4. H THYRISTOR
o Đặc tuyến của SCR
Để làm SCR từ ngưng dẫn sang dẫn:
• Tăng điện thế A K, làm tăng dòng rỉ ICBO , làm
xảy ra hiện tượng huỷ thác .
• Tăng dòng cửa IG để các transistor nhanh
chóng đi vào dẫn bảo hoà
• Tăng nhiệt độ t0 mối nối làm tăng dòng trong
T1, T2
• Tăng tốc độ tăng thế dV/dt tạo dòng nạp cho
điện dung nối pn
• Sử dụng năng lượng quang học như ánh sáng
để làm dẫn các SCR quang (LASCR – Light
actived SCR)
11:33 AM 94 94 11:33 AM 05 05
4. H THYRISTOR 4. H THYRISTOR
o TRIAC (Triode Alternative Current)
Để làm SCR từ dẫn sang ngưng dẫn:
MT MT MT
• Cắt bỏ nguồn cấp điện VAK . 2 2 2
MT 2 P MT 2
• Thắng động lực: dùng một bộ phận có điện trở N1 P1 N MT 2
N P
thật nhỏ mắc song song với SCR để tạo ra dòng N G G G
2 P G
G N G
P MT MT
IA < IH N 2 MT 1 1 1
3 N4 N P
• Tạo VAK < 0 (dòng xoay chiều, xung giao MT MT
MT 1 1 1
hoán)
11:33 AM 15 15 11:33 AM 25 25
13
4. H THYRISTOR 4. H THYRISTOR
o
Có thể xem Triac như gồm 2 SCR ghép o Đặc tuyến của Triac
đối song nhưng chỉ có 1 cổng kích chung.
T1 T
U
1 Z
Z U1
T2
MT
1 MT 2
MT 2
MT 1
G G
11:33 AM 35 35 11:33 AM 45 45
4. H THYRISTOR 4. H THYRISTOR
o Bốn kiểu hoạt động của Triac: o Các cách kích Triac:
Ki uI+ Ki uI Ki uII+ Ki uII Vì Triac dẫn trong cả 2 chiều nên cách kích
VMT1MT2 >