Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p2) - PGS.TS Lê Minh Phương

Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p2) gồm có những nội dung: The Power MOSFET, MOSFET Regions of Operation, the MOSFET as a Switch, MOSFET Switching Characteristics, datasheet of the MOSFET, đặc điểm của MOSFET,... Mời các bạn tham khảo.

Trang 1

1

Ho Chi Minh City University of

Technology

PGS.TS Lê Minh Phương

Khoa Điện –Điện Tử

Trường Đại Học Bách Khoa

TP HỒ CHÍ MINH

Contact info:

Address: 268 Lý Thường Kiệt, P.14,Q.10, TP Hồ Chí Minh

Telephone: 84-08-38647256 (5722)

Mobile: 0988572177

E-mail: lmphuong@hcmut.edu.vn; ivanphuong@yahoo.com

2

Power Electronics

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM

TPHCM

2012

Trang 2

3

2 Các linh kiện bán dẫn

3 Mô phỏng Matlab-Simulink

PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

4

1 MÔ PHỎNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG

MATLAB/SIMULINK - Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng – Nhà xuất bản ĐHQG 2011

2 POWER ELECTRONICS HANDBOOK –

Muhammad H Rashid

3 MATLAB/SIMULINK - Mathworks

http://www.mathworks.com/

4 ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 – Nguyễn Văn Nhờ

Nhà xuất bản ĐHQG

References

1/21/2013

Trang 3

5

Chương 2

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN

PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM

TPHCM

2012

6

1 Diodes

2 Bipolar Junction Transistor (BJT)

3 Metal Oxide Semiconductor Effect Transistor

(MOSFET)

4 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

5 Thyristor

6 Gate Turn Of Thyrisor (GTO)

7 Triode Alternative Current (TRIAC)

Contents – Nội dung

1/21/2013

Trang 4

7

The Power MOSFET

1/21/2013

The development of the metal oxide semiconductor technology for

microelectronic circuits opened the way for developing the power

metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) device in

1975

In the 1980s, the development of power semiconductor devices took

an important turn when new process technology was developed that

allowed the integration of MOS and BJT technologies on the same

chip

8

Power Electronic Devices

1/21/2013

MOSFET devices used in many IC technology in which the gate,

source, and drain terminals are located in the same surface of the

silicon wafer

The power MOSFET device is a voltage-controlled unipolar device

and requires only a small amount of input (gate) current As a result, it

requires less drive power than the BJT

Device symbols:

(a) n-channel enhancement-mode;

(b) p-channel enhancement-mode;

Trang 5

9

1/21/2013

Tồn tại 2 dạng MOSFET

1 Depletion Type - dạng này cần điện áp Gate-Source,(VGS) để ngắt

“OFF” Trong chế độ depletion, MOSFET như là một khóa "Normally

Closed – thường đóng“

2 Enhancement Type - dạng này cần điện áp Gate-Source,(VGS) để

đóng “ON” Trong chế độ enhancement, MOSFET như là một khóa

"Normally Opened – thường mở“

3 Trong ĐTCS thường dụng dạng Enhancement hơn

10

MOSFET Structure

1/21/2013

Khi điện áp VGS>0, điện tử từ lớp

n+ cổng Source bị kéo về lớp p

cổng Gate tạo điều kiện hình thành

một kênh nối gần cổng nhất

Lúc này VDS>0 nênđiện tử sẽ

chạy đến cực Drain làm BJT dẫn,

dòng điện chạy từ Drain đến

Source

Trạng thái đóng ngắt

VDS>0, VGS>0 MOSFET “ON”

VDS>0, VGS<0, MOSFET “OFF”

Trang 6

13

MOSFET Regions of Operation

1/21/2013

Đặc tính V-I của MOSFET được chia làm ba vùng

1 Vùng Triode (Linear region)

V GS> V Th và V DS <V GS −V Th

2 Vùng Saturation (Active region)

V GS> V Th và V DS >V GS −V Th

3 Vùng Cut-off (Turn off)

V GS < V Th

14

The MOSFET as a Switch

1/21/2013

Trang 7

15

1/21/2013

1 Cut-off Region

Here the operating conditions of

VGS> V Th và V DS >V GS −V Th

ID =0 and VDS = VDD Therefore

the MOSFET is switched

"Fully-OFF"

Then we can define the "cut-off

region" or "OFF mode" of a

MOSFET switch as being, gate

voltage, VGS < VTH and ID = 0

No Drain current flows ( ID = 0 )

VOUT = VDS = VDD = "1"

MOSFET operates as an "open switch"

16

1/21/2013

1 Triode Region

Here the operating conditions of

( VIN =1), ID =max and VDS = min

Therefore the MOSFET is

switched "Fully-ON"

The input and Gate are connected to VDD

Gate-source voltage is much greater than threshold voltage V GS > VTH

MOSFET is "fully-ON"

Max Drain current flows ( ID = VDD / RL )

VDS = 0V (ideal condition)

Min channel resistance RDS(on) < 0.1Ω

V OUT = VDS = RDS.ID

MOSFET operates as a "closed switch"

Trang 8

17

MOSFET Switching Characteristics

1/21/2013

18

1/21/2013

(a) Simplified equivalent circuit used to study turn-on and turn-off

characteristics of the MOSFET and

(b) simplified equivalent circuit

Trang 9

19

1/21/2013

MOSFET is in the off-state for

t<t0, VGG =0, VDS =VDD, iG =0, iD =0;

MOSFET in the off-state

V GS <V Th for t1 > t > t0; (c)

V GS > V Th , iD <I 0 for t1 <t<t2;

V GS > V Th , iD =I 0 for t2 ≤t< t3;

V GS > V Th , iD = Io for t3 ≤ t < t4

For t>t1 with VGS >VTh, the device starts conducting and

its drain current , iD is given as a function of VGS and VTh iD starts flowing exponentially from zero

At t = t3, the Vds reaches its minimum value determined by its

on resistance, vDS(ON ) i.e

vDS(ON) is given by,

As long as VGS <VTh , iD =0;

The gate current continues to decrease exponentially At t = t2, iD

reaches its maximum value of I0,

20

1/21/2013

Turn-off switching waveforms

At t = t0, the gate voltage, VGG(t)

is reduced to zero

for t≥t0:

For t2−t1, the gate-to-source voltage is constant

VGS(t1) = (I0/gm) + VTh=const

At t = t2, the drain-to-source voltage becomes equal to VDD

For t>t3, the gate voltage continues

to decrease exponentially to zero,

at which the gate current becomes zero

Trang 10

21

Datasheet of the MOSFET

1/21/2013

22

Đặc điểm của MOSFET

1/21/2013

MOSFET là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng ngắt hoàn toàn

bằng điện áp VGS, và tín hiệu này luôn phải duy trì khi muốn

MOSFET ở trạng thái đóng

Trang 11

23

1/21/2013

MOSFET là linh kiện bán dẫn có tần số đóng ngắt rất cao đến

1MHz

Khả năng chịu điện áp và dòng điện không lớn (500 V, 100A)

MOSFET ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất nhỏ và tần số

cao

Độ sụt áp trên MOSFET cao hơn so với BJT

Điện trở thuận trên MOSFET khá lớn đến 300m

24

1/21/2013

http://www.fairchildsemi.com

http://www.irf.com/indexnsw.html

http://www.semikron.com

Trang 12

25

Insulated Gate Bipolar Transistor

1/21/2013

The insulated gate bipolar transistor (IGBT) - được ứng dụng vào đầu

những năm 1980, đang trở thành một thiết bị thành công bởi nhờ các

đặc tính vượt trội của nó

Nhiều ứng dụng mới sẽ không khả thi về kinh tế nếu không sử dụng

IGBTs Trước khi xuất hiện IGBT, BJT và MOSFET được sử dụng rộng

rãi các ứng dụng với công suất trung bình và tần số cao

Power BJTs có đặc tính tĩnh tốt (on-state characteristics) nhưng thời

gian chuyển mạch lớn và điều khiển bằng dòng điện với hệ số khuyếch

đại nhỏ

MOSFET được điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển nhỏ (mạch

điều khiển đơn giản), tần số đóng ngắt cao, nhưng điện áp định mức

thấp

26

1/21/2013

IGBT kết hợp những ưu điểm của BJT và MOSFET:

-Đặc tính tĩnh vượt trội (on-state characteristics)

-Tần số đóng ngắt cao nhưng nhỏ hơn MOSFET

-Hoạt động với độ tin cậy cao

- Thay thế MOSFET trong các ứng dụng điện áp

cao và tổn hao nhỏ

-Khả năng mang điện áp, dòng điện và tần số đóng

ngắt cao hơn so với BJT

Trang 13

27

1/21/2013

IGBT là linh kiện bán

dẫn điều khiển đóng

ngắt hoàn toàn bằng

điện áp

Cấu tạo gồm lớp tiếp

xúc p-n-p-n, và 3 điện

cực Collector (C),

Emitter (E), Gate (G)

Mạch công suất nối

giữa C-E, mạch điều

khiển nối giữa cổng

G-E

28

StaticCharacteristics

1/21/2013

Đặc tuyến VA tương tự như MOSFET (thay đổi ký hiệu các cực , D 

C, S E)

Trang 14

29

Dynamic Switching Characteristics

1/21/2013

Tần số đóng ngắt cao hơn so với BJT nhưng thấp hơn MOSFET, tON

IGBT  tON MOSFET , tOFF IGBT > tOFF MOSFET

td thời gian trễ đóng

tr thời gian tăng dòng ton=td+tr thời gian đóng

ts Thời gian trễ ngắt

tf Thời gian giảm dòng Toff=ts+tf thời gian ngắt

30

Dynamic Switching Characteristics

1/21/2013

Trang 15

34

Đặc điểm của IGBT

1/21/2013

IGBT là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng ngắt hoàn toàn

bằng điện áp VGE, và tín hiệu này luôn phải duy trì khi muốn IGBT ở

trạng thái đóng

35

Đặc điểm của IGBT

1/21/2013

Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT

đã giúp nó thay thế dần GTO trong ứng dụng công suất lớn

Sụt áp khi dẫn điện thấp

Khả năng chịu tải đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6.3kV) và

dòng điện vài ngàn Amper (2.4kA)

Tần số đóng ngắt cao đến 100kHz

Trang 16

36

Datasheet of IGBT

1/21/2013

37

For Building

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION

 1/21/2013

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	1,05 MB