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

Chương 1 - Các linh kiện bán dẫn. Trong chương này, người học có thể hiểu được một số kiến thức cơ bản về: Một số lĩnh vực ứng dụng của điện tử công suất, bộ ổn áp tuyến tính, bộ ổn áp xung, diode, thyristor (SCR), Transistor công suất bjt (Bipolar Junction Transistor),... Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.

M«n häc

®iÖn tö c«ng s uÊt

TS NguyÔn TiÕn

Ban

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

Nội dung môn học Chương 1 Các linh kiện bán dẫn

Chương 1

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN

Mét s è lÜnh vùc øng dông cña

®iÖn tö c«ng s uÊt( § T C S)

Mét vµi vÝ dô øng dông ®iÖn tö c«ng s uÊt

• Ứng dụng các bộ biến đổi ĐTCS giúp tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng đáp ứng của thiết bị

Sơ đồ chức năng bộ biến đổ i

bé æn ¸p tuyÕn tÝnh

bé æn ¸p xung

bé æn ¸p xung

Chế độ hoạt động của bộ biến đổi

C¸c linh kiÖn ®iÖn tö c«ng s uÊt th«ng 

dông

Diode - ®i èt

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

Thyristor (SCR)

Thyristor (SCR)

Thyristor ( T ) cã 3 líp tiÕp gi¸p J 1, J 2 vµ J 3 vµ 3

Mở và khoá thyristor

T được mở với hai điều kiện:

+ U AK > 0,

+ Xung dòng điện đưa vào cực G

Khi T đã mở, nếu tồn tại I DT duy trì thì T tiếp tục dẫn, không cần tác động dòng điều khiển : Có thể đ/k mở T bằng xung dòng có độ rộng xung nhất định

T khoá:

I < I DT duy trì

T chỉ khoá hoàn toàn khi có U < 0

M¹ch kÝch cho t

2 Điện áp ngược cho phép lớn nhất, U Ng.max

Lựa chọn U Ng.max = (1,2 đến 1,5) U sử dụng thực tế

trong mạch

3 Thời gian phục hồi:

Thời gian dành cho quá trình khoá t = (1,5 đến 2) t r

4 Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt ( V/ micro giây)+ Với T tần số thấp dU/dt = 50 đến 200 V/ micro giây

+ Với T tần số cao dU/dt = 500 đến 2000 V/ micro giây

5 Độ tăng dòng cho phép dI/ dt ( A/ micro giây)

Transistor công suất BJT

(Bipolar Junction Transistor)

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

song trong điện tử công suất chỉ sử dụng như một phần

tử khoá Khi mở phải thoả mãn đ/k:

I I

C bh B

I k

I

5 , 1 2 ,

1

bh

k

Transistor công suất BJT

(Bipolar Junction Transistor)

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.

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 UCESAT gọi là điện thế bão hoà ( transistor

bão hoà)

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

Hệ số khuếch đại tĩnh của dòng:

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

B

C FE

I I h

BJT (Bipolar Junction Transistor)

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 hoà.

Kích ngắt: Nếu điện áp UB 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

Transistor trường, mosfet ( metal-oxide semiconductor field-effect transistor)

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

MOSFET

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

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/

Gto ( gate turnưoff thyris tor)

T thường được khoá lại một cách tự nhiên theo điện áp lưới

Mạch một chiều, cực tính điện áp không đổi trong suốt quá trình làm việc – T không khoá tự nhiên được, phải sử dụng các mạch khoá cưỡng bức phức tạp

GTO – khoá được bằng cực điều khiển

GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

Cực điều khiển có dòng để mở GTO theo hướng đi vào –

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 J chứa một số lượng lớn các điện tích

Mạch điều khiển GTO

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.

GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

IGBT INSULATED GATE BIPOLAR

TRANSISTOR

IGBT mang hai ưu điểm:

+ Đóng cắt nhanh của MOSFET,+ Chịu tải lớn của transistor thường

IGBT - INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR

Nguyên lí điều khiển:

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

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

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 transistorDòng I1 khoá nhanh, I2 không thể suy giảm nhanh do điện tích

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

MCT (MOS-Controlled Thyristor)

Khả năng đóng ngắt của các khóa bán dẫn

thông dụng

Khả năng tải & đóng cắt của các linh kiện ĐTCS hiện nay