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

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất - Chương I: Các linh kiện bán dẫn

1. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT
2. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM • Linh kiện không điều khiển • Có cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp p-n, 2 điện cực ngoài • Phương pháp chế tạo : Khuyếch tán nguyên tử tạp chất loại p vào một mặt của phiến tinh thể Si loại n • Cực Anode nối với lớp p, Cathode nối với lớp n • Quá trình đóng ngắt : Nếu VAK > 0 (điện áp Anode dương hơn điện áp Cathode) thì diode dẫn (đóng), ngược lại diode ngắt
3. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM + Khả năng điều khiển dòng điện (vài A → vài kA ) + Khả năng khóa điện áp (vài chục V → vài kV )
4. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT : ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE
5. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH Thời gian cần thiết để diode phục hồi khả năng chịu áp khoá khi quá trình dẫn thuận chấm dứt – phục hồi nhanh - phục hồi chậm
6. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH Tính tốn trr để đánh giá khả năng đĩng ngắt với tần số phù hợp. (Example 2.1 – PE Handbook) Bài tập : Xem Tutorial 2.1 p.19, 20 PE Handbook
7. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: BẢO VỆ LINH KIỆN Giátrị dv/dt tra từ thơng số kỹ thuật của linh kiện.
8. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: 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 dịng : IAV – giá trị trung bình dịng qua diode
9. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT - Linh kiện điều khiển bằng dòng và có ba cực ngoài: Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều khiển Base (B). + Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E + Xung điều khiển cấp vào giữa 2 cực B và E - Transistor vận hành như một khóa đóng cắt bán dẫn - BJT công suất được định mức đến 1200V và 400A. Chúng thường được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành đến 10kHz.
10. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT :ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE
11. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : ĐẶC TÍNH ĐỘNG
12. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : MẠCH BẢO VỆ
13. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : MẠCH KÍCH VCC 3 CHỨC NĂNG : R5 2 R6 C -CÁCH LY ĐIỆN D2 2 1 D1 Q4 - KHUẾCH ĐẠI R4 TX1 1 C2 R7 - TẠO DẠNG XUNG ĐIỀU C1 C3 KHIỂN TỐI ƯU Q1 R1 Q2 E A R2 R8 Q3 GND R3
14. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR DARLINGTON Điều khiển dịng cơng suất IC bằng dịng điều khiển IB trị số thấp. hFE= IC/IB
15. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM
16. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM Sử dụng trong các bộ nguồn, bộ biến đổi DC- DC, bộ điều khiển động cơ
17. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM + Linh kiện điều khiển bằng áp. Điện áp gate-source VGS đủ lớn sẽ đóng MOSFET. + VDS > 0 vàVGS > 0 ⇒ ON VGS≤ 0 ⇒ OFF
18. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - ĐẶC ĐIỂM + MOSFET có cấu trúc diode ngược ký sinh .
19. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM + Công suất tổn hao nhiệt ở trạng thái đóng của MOSFET cao hơn BJT. MOSFET điện áp thấp sẽ có điện trở lúc dẫn RDS(on) nhỏ hơn 0.1Ω, tuy nhiên các MOSFET cao áp có điện trở dẫn lên đến vài Ω. + Định mức MOSFET khoảng 1000V và 50A.
20. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Đặc tuyến Volt- Ampere
21. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Đặc tính động MOSFET đóng cắt nhanh và được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành với tần số đến 100kHz và hơn.
22. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Mạch kích
23. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT
24. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT
25. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT -VCE > 0 và VGE > 0 ⇒ ON VGE≤ 0 ⇒ OFF -Không có khả năng khóa áp ngược giá trị lớn hơn 10V -Định mức IGBT áp U <= 1200 V, dòng I <= 1 KA -Tần số đóng ngắt cao hơn so với BJT nhưng thấp hơn MOSFET -IJBT có thể làm việc với tần số đóng cắt lên đến 20kHz
26. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT + Giống MOSFET , khác ở điện trở lúc IGBT đóng RCE ( ON ) nhỏ hơn nhiều so với RDS(ON) MOSFET vì cấu trúc IGBT có lớp chuyển tiếp pn ⇒ có sự dẫn điện bằng hạt dẫn không cơ bản ⇒ dòng I điều khiển được đối với IGBT lớn hơn 5, 10 lần so với MOSFET + Có tín hiệu áp điều khiển VGE ⇒ dòng qua lớp pn phân cực thuận từ cực C ⇒ E.
27. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR
28. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR
29. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - dùng cho mạch công suất lớn; - bốn lớp p, n với 3 cực ngoài Anode (A), Cathode (K) và Gate (G); - mạch điều khiển được nối giữa cực G & K . Mạch công suất được nối giữa A & K ; - linh kiện điều khiển bằng dòng. Xung dòng IG kích đóng SCR; - không kích ngắt, dòng qua SCR đang dẫn if bị ngắt khi giá trị dòng này thấp hơn dòng duy trì If < Ih ≈ 0 - định mức SCR : áp vài kV, dòng vài kA
30. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: a. Trạng thái khóa áp ngược ( SCR ngắt ) R K G V A
31. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: b. Trạng thái khóa áp thuận ( SCR ngắt ) R A V G K
32. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: c. Trạng thái dẫn ( SCR đĩng )
33. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Quá trình đóng ngắt a. Hiện tượng đóng mạch xảy ra ( chuyển từ ngắt ⇒ đóng ) khi - SCR được đặt ở trạng thái khóa áp thuận - Xung dòng IG > 0 đưa vào cổng GK Mạch tương đương của SCR gồm 2 transistor mắc đối Collector và Base với nhau, xung IG làm 2 transistor nhanh chóng dẫn bão hòa. Lúc SCR dẫn, trạng thái của nó giống diode nên dòng IG không còn cần thiết nữa để duy trì trạng thái đóng SCR.
34. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Quá trình đóng ngắt b. Hiện tượng ngắt mạch gồm 2 giai đoạn; Chuyển từ đóng ⇒ ngắt Giai đoạn 1: Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa anode và cathode ( đặt áp ngược ) Giai đoạn 2: khôi phục khả năng khóa của SCR Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu SCR cần có 1 thời gian ngắt an toàn (tq) để SCR có thể chuyển sang trạng thái khóa áp thuận an toàn.
35. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE
36. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE
37. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - THỜI GIAN NGẮT AN TỒN tq tq : sau khi phục hồi lớp điện trở nghịch của J1 và J3 quá trình ngắt vẫn chưa chấm dứt, cần có thêm một thời gian nữa để khôi phục khả năng khóa áp thuận tức là khôi phục điện trở nghịch của lớp J2 . Thời gian ngắt an toàn vì vậy sẽ được định nghĩa : tq- Nó bắt đầu khi dòng thuận trở về không cho đến khi xuất hiện điện áp khóa thuận mà SCR vẫn không bị đóng trở lại khi chưa có xung dòng điều khiển IG.
38. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - MẠCH KÍCH SCR VCC R4 Q1 A R3 D1 R2 G X1 TX1 R6 A Q2 D2 R1 R5 K -
39. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - MẠCH BẢO VỆ dV/dt dV/dt di/dt
40. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate turn off thyristor
41. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate turn off thyristor - Thyritor GTO cũng giống như SCR, được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp anode- cathode dương. - GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm. - Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài µs), nhưng biên độ phải rất lớn so với dòng đóng GTO và thông thường dòng kích ngắt GTO khoản 1/3 dòng anode ở trạng thái dẫn. - Đặc tuyến V-A cho GTO giống của SCR. - Định mức GTO : dòng vài kA , áp vài kV: Dùng cho mạch công suất lớn
42. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate Turn Off Thyristor +VGG + PS1 A Q2A C1 R5 R3 G X1 R1 U1 ON R6 Xung đóng Q1 OFF K Q4A R4 R7 Q5 R2 U2 Xung ngắt Q3 PS2 - -VGG
43. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. TriAc - Linh kiện điều khiển dòng xoay chiều và có 1 cổng điều khiển. - Kích đóng bằng xung dòng điều khiển giống SCR - Ngắt tự nhiên bằng áp ngược A1 G A2
44. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN
45. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN