Bài giảng Điện tử công suất - Chương 1: Mở đầu

Bài giảng Điện tử công suất - Chương 1: Mở đầu cung cấp cho người học các kiến thức: Đặc tính của công tác bán dẫn, Diode bán dẫn, Transistor bán dẫn, họ Thyristor, tổng kết. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

o LINH KIỆN ðIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1 ðặc ðặc tính tính của của công công tắc tắc bán bán dẫn dẫn

2 Diode Diode công công suất suất

3 Transistor Transistor công công suất suất

4 Họ Họ Thyristor Thyristor

5 Tổng Tổng kết kết

LINH KU

Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau:

• Tốc độ giao hoán nhanh

• Giảm thiểu công suất tiêu tán

• Cho phép điều khiển các tải nặng (dòng tải lớnhay điện trở tải nhỏ)

• Có gắn các bộ vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC

• Các linh kiện công suất giao hoán thông dụnglà: Diode,Transistor, Mosfet, SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT…

11:33 AM

3

1 ð

Do tính chất của chất bán dẫn nên khi

chịu tác động của xung kích, dạng sóng ngõ

ra có dạng như ở hình

Đặc tuyến giao hoán được biểu diễn từ

trạng thái tắt ( off ) sang trạng thái dẫn ( on )

và từ trạng thái dẫn ( on ) sang trạng thái

Dòng điện I Hiệu điện thế V v,i

t V

v 1

Chọn t=0

t V

v 1 = =  −  

swon swon t

t t

t VI vi

Năng lượng thất thoát tổng cộng trong

chu kỳ giao hoán bằng:

∫ =

= swon

6 1

t V t

t V V t

t V V v t

t I

t V t

t V V t

t V V v

f

t V t

t V V t

t V V v t

t I

swon f

t I V V t

t VI vi

Năng lượng thất thoát tổng cộng trong

chu kỳ giao hoán bằng:

=swont

swon f swon

f swon

W

1 3 1 3

1 6 1

f swoff

W

1 3 1 3

1 6 1

( swon swoff ) f

swoff swon

W = + =  +  +

2 1 3 1

o Thời gian phục hồi:

Khi diode đang dẫn thình lình chuyển sang trạng thái ngưng, diode không thể ngưng ngay mà có thời gian chuyển tiếp do sự hồi phục của các hạt tải trong nối p-n làm dòng

t

o Công suất thất thoát của diode công suất

sw OFF ON

T

tIV

F F

ON =

T

tIV

R R OFF =

IVP

P

Psw = swon + swoff = CC F swon + swoff

61

2 DIODE CÔNG SU

2 DIODE CÔNG SU

Cấu tạo – Ký hiệu

Diode schottky thường được chế tạo bằng chất GaAs

Schottky

Diode Schottky Diode

emitter

collector PNP BJT

11:33 AM

o Công suất thất thoát của BJT

• Khi transistor dẫn bão hòa, ta có:

• Khi transistor ngưng dẫn và dòng rỉ Ir

rất bé, ta có:

IVP

P

Psw= swon+ swoff = CC Fmax swon+ swoff

61

T

t I V T

t I V I V

CM CEbh ON B BEbh CM CEbh

T

t I V

r CC

sơ đồ cấu trúctương đương

o Công suất thất thoát của MOSFET

• Khi MOSFET dẫn bão hòa, ta có:

• Khi MOSFET ngưng dẫn và dòng rỉ Ir

rất bé, ta có:

IVP

P

Psw= swon+ swoff = nguon Fmax swon+ swoff

61

( )T

tRI

on DS D ON

2

=

T

t I V

r DS

3 TRANSISTOR CÔNG SU

o Mạch bảo vệ cho MOSFET

3 TRANSISTOR CÔNG SU

MạchRCnhỏ mắc song song với ngõ ra của linhkiện để hạn chế tác dụng các dãy điện áp và cácxung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đóng

o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

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:

o Công trên tải

• Công suất trung bình cấp cho tải:

Với thời gian dẫn tON, ta có:

o Công suất tiêu tán tổng cộng giao hoán:

L

L L

R

V P

2

=

T t V

V cc ON

T

t R

0,8-1000A

100-1000V

LASCR 0,7A 100-600V

6-10V Diode Shockley

SBS 0,2A 6-10V Diac 6-10V (5 lớp) UJT

Gồm các linh kiện công suất có cấu trúc gần với

Thyristor (SCR gọi theo phòng thí nghiệm Bell từ năm

1956) và các linh kiện kích cho các linh kiện công

suất theo bảng tóm tắt sau:

= G CBO CBO A

II

II

4 H

• Sử dụng năng lượng quang học như ánh sáng

để làm dẫn các SCR quang (LASCR – Lightactived SCR)

N

N G

MT2

MT1

MT2

MT1G

MT2

MT1G

P

P N

N G

MT2

MT1

MT2

MT1G

o TRIAC (Triode Alternative Current)

4 H

11:33 AM

o Có thể xem Triac như gồm 2 SCR ghép

đối song nhưng chỉ có 1 cổng kích chung.

o Bốn kiểu hoạt động của Triac:

Kiểu I+ Kiểu I- Kiểu II+ Kiểu

IG< 0 (Dòng ra) Dòng từ

MT1 -> MT2

Dòng từ

MT1 -> MT2

Dòng từ MT2 -> MT1

Dòng từ MT2 -> MT1

Mạch tạo xung được tạo nên từ UJT, IC

555, mạch số, Flip flop…, nhưng đặc biệt vẫn là mạch dùng DIAC.

4 H

o MCT (Mosfet Controlled Thyristor) có cấu

tạo kết hợp công nghệ của thyristor với ưu

điểm tổn hao dẫn điện thấp và khả năng

chịu áp cao của với khả năng đóng ngắt

o Khả năng chịu tải của MCT:

MCT được áp dụng cho các trường hợp yêu cầu điện trở và độ tự cảm nhỏ với khả năng chịu được dòng điện lớn và di/dt cao.

MCT được sử dụng làm thiết bị phóng nạp điện cho máy bay, xe ô tô, tàu thủy, nguồn cung cấp tivi.

4 H

11:33 AM

o GTO (Gate turn – off Thyristor)

Có cấu tạo phức tạp hơnSCR cổ điển để có thể tắtSCR đang dẫn bằng cáchcho xung âm vào cực G(mà trước đó đã làm SCRdẫn bằng cách xung dươngvào G) hình

4 H

GTO được kích đóng bằng xung dòng điện tương

tự như khi kích đóng SCR thông thường Dòng điệnkích đóng được tăng đến giá trị IGM và sau đó giảmxuống đến giá trịIG

4 H

Quá trình ngắt GTO đòi hỏi sử dụng xung dòng

kích đủ rộng Điều này dẫn đến thời gian ngắt dài,

khả năng di/dt và dv/dt của GTO thấp Vì thế, cần

phải giới hạn các trị số hoạt động không vượt quá

giá trị an toàn trong quá trình ngắt GTO

• IGCT là linh kiện gồm GCT và có thêm một sốphần tử hỗ trợ, bao gồm cả board mạch điềukhiển và có thể gồm cả diode ngược

o IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)

K G

IGCT có thể tích hợp diode ngược bằng mối nối

n+n-p được vẽ trên hình Diode ngược cần thiết

trong cấu tạo của các bộ nghịch lưu áp

Để có thể so sánhvới quá trình ngắtdòng của GTO, đồthị của dòng cổng

trường hợp

4 H

11:33 AM

o UJT (Unijunction Transistor)

Cấu tạo – Ký hiệu

B2

transistor đơn nối

Có công suất thấpnên chỉ xếp vào loạilinh kiện điều khiểncông suất

o UJT (Unijuncton Transistor)

Khi chưa cấp ñiện

5 M

5 MỘ ỘT S T SỐ Ố LINH KI LINH KIỆ ỆN KHÁC

B2

RB2E

B1

RB1F D

B B

B

RR

o UJT (Unijuncton Transistor)

Mạch dao ñộng thư giãn

o PUT (Programmable Unijunction Transistor)

PUT giống như một UJT

có đặc tính thay đổi được Tuy vậy về cấu tạo, PUT khác hẳn UJT

và cách hoạt động cũng khác

5 M

5 MỘ ỘT S T SỐ Ố LINH KI LINH KIỆ ỆN KHÁC

Cấu tạo và ký hiệu

A

oPUT (Programmable Unijunction Transistor)

Khi VAK < VP : PUT ngưng Khi VAK > VP : mối nối A-G bắt đầu dẫn

VBB

IA

1 2 1 B B

B

R R

R +

K

2 1

2 1 2

1//

B B

B B B

B TH

RR

RRR

RR

5 MỘ ỘT S T SỐ Ố LINH KI LINH KIỆ ỆN KHÁC

Mạch dao ñộng thư giãn

RB2

RB1R

1

n1 p2

A

SCS còn được gọi là Tetrode thyristor (thyristor có 4 cực)

11:33 AM

o SCS (Silicon Controlled Switch)

5 M

5 MỘ ỘT S T SỐ Ố LINH KI LINH KIỆ ỆN KHÁC

• SCS dẫn ở điện thế dương cấp cho anod

và cho xung dương vào GK.

• SCS đang dẫn, muốn làm tắt hoặc cho

xung âm vào GK, hoặc cho xung dương

vào GA.

• SCS hoạt động có: IA=0,2A; VRM=100V.

• SCS ứng dụng trong điều khiển công

suất nhỏ, dao động thư giãn.

oDIAC (Diode AC)

5 M

5 MỘ ỘT S T SỐ Ố LINH KI LINH KIỆ ỆN KHÁC

Cấu tạo – ký hiệu

DIAC giống hai SCR không có cực cổng hay đúng hơn là một transistor không có cực nền

• IBR = IH= vài trăm µA

• DIAC tương đương với hai Diode Zener

VA1A2

o Diode Shockley

5 M

5 MỘ ỘT S T SỐ Ố LINH KI LINH KIỆ ỆN KHÁC

Cấu tạo – ký hiệu

5 MỘ ỘT S T SỐ Ố LINH KI LINH KIỆ ỆN KHÁC

ðặc tuyến V/A Diode shockley đặc tuyến

giống như SCR lúc dòng cổng IG=0V

số VBO thì diode shockley bắt đầu dẫn

11:33 AM

6 T

6 TỔ ỔNG K NG KẾ ẾT

Khả năng hoạt động của các linh kiện bán dẫn

công suất được so sánh theo công suất mang tải

và tốc độ đóng ngắt được minh họa ở hình dựa

theo số liệu tra cứu năm 1998-1999 của hãng

EUPEC

Linh kiện GTO công suất lớn được sản xuất với

khả năng chịu được điện áp/dòng điện từ

2,5-6kV/1-6kA GTO còn được chế tạo chứa diode

ngược với tổn hao thấp, khả năng chịu điện

áp/dòng điện của nó đạt đến 4,5kV/3kA

84

o Thống kê

số liệu tra cứu năm 1998-1999 của hãng EUPEC.

6 T

6 TỔ ỔNG K NG KẾ ẾT

11:33 AM

11:33 AM 85

Linh kiện IGCT đươc chế tạo gần đây có khả

năng chịu được điện áp/ dòng điện 6kV/6kA với

khả năng chuyển mạch gần như toàn bộ dòng

điện sang mạch cổng khi kích ngắt

Các diode cho nhu cầu thông thường đươc chế

tạo với khả năng chịu được điện áp thay đổi từ

500V đến 4kV và dòng điện từ 60A đến 3,5kA Đối

với nhu cầu đóng ngắt nhanh khả năng dòng đạt

Các linh kiện IGBT dạng modul được chế tạo vớikhả năng chịu được điện áp/ dòng điện 1,7-3,3kV/400-1.200A