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

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

1. M«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt TS. NguyÔn TiÕn Ban 1
2. Tµi liÖu tham kh¶o [1]. PGS.TSKH Thân Ngọc Hoàn ( 2004) Điện tử công suất Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội. [2]. Nguyễn Bính ( 1999) Điện tử công suất Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [3]. PGS.TS Lê Văn Doanh - Cyril w. lander ( 1994) Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [4]. PGS.TS Lê Văn Doanh ( 2004 Điện tử công suất Nhà xuất bản KH và KT, Hà Nội [5]. Phạm Quốc Hải , Dương Văn Nghi ( 1999) Phân tích và giải mạch điện tử công suất Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [6]. Võ Minh Chính , Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh ( 2004). Điện tử công suất Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [7]. Bimal K. Bose (1998) Power electronics and Variable Frequency Driver The institute Electrical and Electronics Engineers, Inc,New York 2
3. Néi dung m«n häc Ch¬ng 1. C¸c linh kiÖn b¸n dÉn Ch¬ng 2. ChØnh lu Ch¬ng 3. Bé biÕn ®æi ®iÖn ¸p xoay chiÒu Ch¬ng 4. Bé biÕn ®æi ®iÖn ¸p mét chiÒu Ch¬ng 5.NghÞch lu vµ biÕn tÇn. Chương 6. Thiết bị điều khiển điện tử công suất. 3
4. Chương 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4
5. Mét sè lÜnh vùc øng dông cña ®iÖn tö c«ng suÊt( § T C S) 5
6. Mét vµi vÝ dô øng dông ®iÖn tö c«ng suÊt • Ứng dụng các bộ biến đổi ĐTCS giúp tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng đáp ứng của thiết bị. 6
7. S¬ ®å chøc n¨ng bé biÕn ®æi 7
8. bé æn ¸p tuyÕn tÝnh 8
9. bé æn ¸p xung 9
10. bé æn ¸p xung 10
11. ChÕ ®é ho¹t ®éng cña bé biÕn ®æi 11
12. C¸c linh kiÖn ®iÖn tö c«ng suÊt th«ng dông 12
13. Diode - ®i èt 13
14. C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña mét diode 1. Dßng ®iÖn thuËn I D : Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng ®iÖn cho phÐp ch¹y qua diode theo chiÒu thuËn I D §©y lµ gi¸ trÞ lùa chän diode cho øng dông thùc tÕ 2. §iÖn ¸p ngîc U Ng.max: Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ngîc lín nhÊt mµ diode cã thÓ chÞu dùng ®îc. Lu«n lùa chän: UAK < U Nguoc max 3. Thêi gian phôc håi tr : thêi gian chuyÓn m¹ch ®Ó ph©n chia diode thêng, c¾t nhanh vµ cùc nhanh ( micro gi©y) vµ ®iÖn tÝch phôc håi Qr cÇn ®a ra khái cÊu tróc ®Ó diode kho¸ 14
15. Thyristor (SCR) 15
16. Thyristor (SCR) 16
17. Thyristor ( T ) cã 3 líp tiÕp gi¸p J1, J2 vµ J3 vµ 3 cùc A, K vµ cùc ®iÒu khiÓn G §Æc tÝnh V – A cña T cã 2 phÇn : ThuËn n»m t¹i gãc 1/4 I víi U AK > 0 cßn ngîc n»m t¹i III cã U AK 0 lóc ®ã T sÏ chuyÓn m¹ch. Tuú thuéc vµo ®é lín cña I G mµ T sÏ më sím hay muén. 17
18. Më vµ kho¸ thyristor T ®îc më víi hai ®iÒu kiÖn: + U AK > 0, + Xung dßng ®iÖn ®a vµo cùc G Khi T ®· më, nÕu tån t¹i I DT duy tr× th× T tiÕp tôc dÉn, kh«ng cÇn t¸c ®éng dßng ®iÒu khiÓn : Cã thÓ ®/k më T b»ng xung dßng cã ®é réng xung nhÊt ®Þnh. T kho¸: I < I DT duy tr×. T chØ kho¸ hoµn toµn khi cã U AK < 0 18
19. M¹ch kÝch cho t 19
20. C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña thyristor 1. Dßng I V: Dßng trung b×nh cho phÐp ch¹y qua T Khi lùa chän chó ý: + Lµm m¸t tù nhiªn: Dßng sö dông cho phÐp: I = 1/3 I V + Lµm m¸t cìng bøc b»ng qu¹t giã: Dßng sö dông cho phÐp: I = 2/3 I V + Lµm m¸t cìng bøc b»ng níc : Dßng sö dông cho phÐp: I = I V 21
21. 2. §iÖn ¸p ngîc cho phÐp lín nhÊt, U Ng.max Lùa chän U Ng.max = (1,2 ®Õn 1,5) U sö dông thùc tÕ trong m¹ch 3. Thêi gian phôc håi: Thêi gian dµnh cho qu¸ tr×nh kho¸ t = (1,5 ®Õn 2) t r 4. Tèc ®é t¨ng ®iÖn ¸p cho phÐp dU/dt ( V/ micro gi©y) + Víi T tÇn sè thÊp dU/dt = 50 ®Õn 200 V/ micro gi©y + Víi T tÇn sè cao dU/dt = 500 ®Õn 2000 V/ micro gi©y 5. §é t¨ng dßng cho phÐp dI/ dt ( A/ micro gi©y) + Víi T tÇn sè thÊp dI/dt = 50 ®Õn 200 A/ micro gi©y + Víi T tÇn sè cao dI/dt = 500 ®Õn 2000 A/ micro gi©y 22
22. Transistor công suất BJT (Bipolar Junction Transistor) 23
23. 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 I C =  .I B song trong điện tử công suất chỉ sử dụng như một phần tử khoá. Khi mở phải thoả mãn đ/k: I C I B Hay: I  I = k C k =1,2 1,5 B bh  Trong đó: bh Khi đó transistor sẽ ở chế độ bão hoà, điện áp: U EC = 1 – 1,5 V 25
24. Transistor công suất BJT (Bipolar Junction Transistor) 26
25. Output characteristic IC = f ( UCE) Thông số biến thiên là dòng IB. Đặc tính vẽ với các giá trị khác nhau của IB trong vùng 1. Đặc tính UCE = U – R.IC. Điểm cắt nhau là điểm làm việc. 27
26. Vùng nghịch với IB = 0. Transistor ở chế độ ngắt, dòng IC0 có giá trị không đáng kể. Cần hạn chế điện áp ngược trên UBE 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 IC dẫn và điện thế UCE đạt giá trị CESATU gọi là điện thế bão hoà ( transistor bão hoà). 28
27. 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. 29
28. Hệ số khuếch đại tĩnh của dòng: I C hFE = I B 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. 30
29. BJT (Bipolar Junction Transistor) 31
30. 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 IB với đỉnh khá lớn. Khi T dẫn thì giảm IB đến giá trị dòng bão h o à . 32
31. Kích ngắt: Nếu điện áp BU giảm xuống giá trị âm U2 < 0, điện áp ngược đặt lên BE bằng tổng điện áp UB và UC. Gai dòng IB xuất hiện, sau khi C1 xả hết, điện áp trên BE xác lập bằng U2 33
32. Transistor trêng, mosfet ( metal- oxide semiconductor field-effect transistor) 37
33. 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 SiO2. 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 38
34. MOSFET 41
35. MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS. 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 Ron thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện 42
36. Mạch kích sử dụng totem-pole gồm 2 transistor npn và pnp. Khi điện áp U1 ở mức cao Q1 dẫn,Q2 khoá làm M dẫn. Khi điện áp U1 thấp, Q1 khoá, Q2 dẫn làm các diện tích trên mạch cổng được giải phóng, M ngắt điện. Tín hiệu U1 có thể lấy từ mạch collector mở( open collector TTL) và totem – pole đóng vai trò mạch đệm ( buffer). Giảm thời gian kích đóng ton sử dụng mạch a/ 43
37. M gần như không cần bảo vệ. Có thể sử dụng RC mắc thêm ở cửa ra. 44
38. Gto ( gate turn-off thyristor) T thêng ®îc kho¸ l¹i mét c¸ch tù nhiªn theo ®iÖn ¸p líi. M¹ch mét chiÒu, cùc tÝnh ®iÖn ¸p kh«ng ®æi trong suèt qu¸ tr×nh lµm viÖc – T kh«ng kho¸ tù nhiªn ®îc, ph¶i sö dông c¸c m¹ch kho¸ cìng bøc phøc t¹p GTO – kho¸ ®îc b»ng cùc ®iÒu khiÓn 45
39. GTO (Gate Turn-Off Thyristor) Cùc ®iÒu khiÓn cã dßng ®Ó më GTO theo híng ®i vµo – Dßng ®i ra ®Ó di chuyÓn c¸c ®iÖn tÝch ra khái cÊu tróc b¸n dÉn, ®Ó kho¸ . 46
40. 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 J2 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. 48
41. Mạch điều khiển GTO 49
42. 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. 51
43. GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 52
44. IGBT INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR 53
45. 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 54
46. IGBT - INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR 55
47. 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 56
48. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 57
49. Đặc tính đóng cắt của IGBT Do cấu trúc p-n-p nên điện áp thuận UCE 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: + I1 dòng qua MOSFET + I2 dòng qua transistor Dòng I1 khoá nhanh, I2 không thể suy giảm nhanh do điện tích tích luỹ tại lớp n - 58
50. 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 UGE, tín hiệu khoá có biên độ - UGE cung cấp qua điện trở RG. Mạch GE được bảo vệ bởi ổn áp +/- 18V 59
51. MCT (MOS-Controlled Thyristor) 60
52. Khả năng đóng ngắt của các khóa bán dẫn thông dụng 61
53. Khả năng tải & đóng cắt của các linh kiện ĐTCS hiện nay 62