Bài giảng Điện tử công suất 1: Chương 1 - PGS. TS. Phan Quốc Dũng

Chương 1 - Linh kiện bán dẫn công suất. Nội dung chương này gồm có: Trị trung bình, trị hiệu dụng, phân tích fourier, khái niệm về quá trình quá độ và trạng thái xác lập, sự liên tục và gián đoạn, các hệ số phẩm chất, tính chất linh kiện bán dẫn công suất,... Mời các bạn cùng tham khảo.

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1

GV : PGS TS PHAN QUỐC DŨNG

TP.HCM 2013

Ch ươ ng 1 Linh ki ệ n bán d ẫ n công su ấ t

v T

V

0

2

) ( 1

,

2 , 1

0 0

1 )

(

2

t d t v

dt t

v T a

T

Thành phần DC

v tdt

n t

v T a

T

0 0

2

t td n t

v tdt

n t

v T b

T n

3 PHÂN TÍCH FOURIER

Nếu n = 1 – hài cơ bản

n ≥≥≥≥ 2 – hài bậc cao Phép phân tích Fourier được sử dụng để đánh giá thành phần một chiều và xoay chiều của đại lượng điện áp (dòng) ngõ ra bộ biến đổi công suất (thường không có dạng chuẩn một chiều hoặc xoay chiều) và thông qua đó có thể đánh giá so sánh chất lượng các đại lượng điện này.

4 Khái niệm về quá trình quá độ và trạng thái xác lập :

Khái niệm thường gặp trong ĐTCS, liên quan đến quá trình đóng ngắt của các khoá công suất, còn được gọi là quá trình chuyển trạng thái khoá công suất từ đóng sang ngắt hoặc

ngược lại.

Quá trình quá độ là quá trình xảy ra ngay sau khi đóng (ngắt) khoá công suất, diễn ra trong khoảng thời gian ngắn và liên quan đến tính chất động của các linh kiện ĐTCS.

4 Khái niệm về quá trình quá độ và trạng thái xác lập :

Trạng thái xác lập của mạch ĐTCS là trạng thái diễn ra trong khoảng thời gian tương đối dài (so với thời gian đóng ngắt khoá), khi khoá công suất ở trạng thái đóng hoàn toàn hoặc ngắt hoàn toàn.

5 Sự liên tục và gián đoạn:

Khái niệm liên quan đến tính dẫn điện một chiều của khoá công suất (BJT, IGBT, SCR, GTO…) Khi dòng đi qua theo chiều thuận của khoá vẫn còn lớn hơn 0 ta có dòng liên tục Nếu dòng giảm xuống giá trị nhỏ hơn 0 ⇒ khoá ngắt ⇒ ta có hiện tượng dòng gián đoạn.

6 Các hệ số phẩm chất

Hệ số hài (HFn) của sóng hài thứ n : Tỷ lệ trị hiệu dụng sóng hài bậc n so với sóng hài cơ bản.

V

1

V V

HFn = n

6 Các hệ số phẩm chất

Hệ số méo dạng toàn phần : tỷ lệ các sóng hài bậc cao so với sóng hài cơ bản.

1

n

n

V V

THD

7 Định nghĩa

Điện tử công suất (ĐTCS) là công nghệ chuyển đổi năng

lượng điện từ dạng này sang dạng khác nhờ ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất lớn.

+ Ưu điểm so với công tắc cơ học

+ Ứng dụng khóa bán dẫn : là cấu phần của các bộ biến đổi công suất dùng để điều khiển các tham số ra như áp, dòng, công suất, tần số và dạng sóng.

9 Phân loại linh kiện bán dẫn công suất

Theo tính điều khiển

Theo chiều dòng điện đi qua

Theo khả năng khóa áp ngược

Tín hiệu điều khiển

10 Tính chất tĩnh và động

• Tính chất tĩnh : Liên quan đến cơng suất tổn hao trên khĩa bán dẫn khi

khĩa ở trạng thái đĩng hoặc ngắt hồn tồn.

• Tính chất động : liên quan đến thời gian khĩa chuyển trạng thái ton , t off

• Tính chất động : liên quan đến thời gian khĩa chuyển trạng thái ton , t off

6 Các hệ số phẩm chất

Hệ số méo dạng toàn phần : tỷ lệ các sóng hài bậc cao so với sóng hài cơ bản.

1

n

n

V V

THD

1 DIODE COÂNG SUAÁT

• 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

1 DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM

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

1 DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM

+ Khả năng điều khiển

vài kA )

+ Khả năng khóa điện

+ Khả năng khóa điện

vài kV )

1 DIODE COÂNG SUAÁT : ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE

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

1 DIODE COÂNG SUAÁT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH

1 DIODE COÂNG SUAÁT: BẢO VỆ LINH KIỆN

Giá trị dv/dt tra từ thông số kỹ thuật

của linh kiện.

1 DIODE COÂNG SUAÁT: ĐỊNH MỨC LINH KIỆN

Xem ví d ụ 2.2 p.18 PE Handbook

Định mức áp : VRRM – giá trị áp ngược tức thời lớn nhất trên diode

Định mức dòng : IAV – giá trị trung bình dòng qua diode

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

2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE

2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : ĐẶC TÍNH ĐỘNG

2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : MẠCH BẢO VỆ

2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : MẠCH KÍCH

VCC

C

Q4 R4

TX1 D1

- TẠO DẠNG XUNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU

3 MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂM

3 MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂM

Sử dụng trong các bộ nguồn, bộ biến đổi

DC-DC, bộ điều khiển động cơ

3 MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM

+ Linh kiện điều khiển bằng

áp Điện áp gate-source VGS

đủ lớn sẽ đóng MOSFET

(15V, < =20V)

+ VDS > 0 và V GS > 0 ⇒ ON

V GS≤ 0 ⇒ OFF

3 MOSFET CÔNG SUẤT - ĐẶC ĐIỂM

+ MOSFET có cấu trúc diode

ngược ký sinh

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

3 MOSFET COÂNG SUAÁT - Đặc tuyến Volt- Ampere

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

3 MOSFET COÂNG SUAÁT - Mạch kích

4 TRANSISTOR IGBT

4 TRANSISTOR IGBT

4 TRANSISTOR IGBT

4 TRANSISTOR IGBT

4 TRANSISTOR IGBT

- V CE > 0 và V GE > 0 ⇒ ON

V GE≤ 0 ⇒ OFF

-Không có khả năng khóa áp ngược

giá trị lớn hơn 10V

-Không có khả năng khóa áp ngược

giá trị lớn hơn 10V

-Định mức IGBT áp U 500- 1700 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 30kHz (3-30kHz)

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

4 TRANSISTOR IGBT

Đặc tính động : thời gian ngắt toff

4 IPM – Intelligent Power Module

4 IPM – Intelligent Power Module

5 THYRISTOR

5 THYRISTOR

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

5 THYRISTOR

Ba trạng thái của SCR:

a Trạng thái khóa áp ngược ( SCR ngắt )

V

R

A

5 THYRISTOR

Ba trạng thái của SCR:

b Trạng thái khóa áp thuận ( SCR ngắt )

5 THYRISTOR

Ba trạng thái của SCR:

c Trạng thái dẫn ( SCR đĩng )

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

5 THYRISTOR

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

5 THYRISTOR – Đặc tính động

5 THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE

5 THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE

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

R2 R3

R5

R6

Q2

TX1 D1D2

K G

5 THYRISTOR - MẠCH BẢO VỆ

di/dt

6 GTO – Gate turn off thyristor

6 GTO – Gate turn off thyristor

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 (biên độ cao hơn SCR thường)

- GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm

- Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài µµµµs), nhưng biên độ phải rất lớn so

- Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài µµµµs), nhưng biên độ phải rất lớn so với dòng đóng GTO và thông thường dòng kích ngắt GTO khoảng 1/5 – 1/2 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

6 GTO – Gate Turn Off Thyristor

U1 R1

R3

R5

R6

Q2A C1

6 TriAc

-Linh kiện điều khiển dòng xoay chiều và có 1 cổng điều khiển

- Định mức: 1kV, 50A

- Kích đóng bằng xung dòng điều khiển giống SCR

- Ngắt tự nhiên bằng áp ngược

G

A1

A2

6 TriAc

4 vùng làm việc

6 TriAc

Đặc tuyến V-A

7 MCT – MOS CONTROLLED THYRISTOR

7 MCT – MOS CONTROLLED THYRISTOR

8 IGCT

8 IGCT

8 IGCT : Turn off mode

8 IGCT : Turn off mode

8 IGCT