Môn điện tử công suất chương 2 linh kiện bán dẫn công suất

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TH ỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - - MÔN : ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHƯƠNG : LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT GVHD : LÊ MINH THANH NGƯỜI THỰC HIỆN : 2002217217 – HUỲNH ANH QUỐC TP.HCM - 2022 I Thyristor (SCR) .3 II FET,MOSFET III Trsansistor(BJT) IV Diode .8 V IGBT .9 VI GTO 13 VII Triac 14 I - Thyristor (SCR) Cấu tạo : Thyristor có cấu tạo gồm lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, Transistor thuận Transistor ngược (như sơ đồ tương đương trên) Thyristor có cực Anot, Katot Gate gọi A-KG, Thyristor Diode có điều khiển - Kí hiệu hình dạng: - Nguyên lý hoạt động: + Ban đầu công tắc K2 đóng, Thyristor phân cực thuận khơng có dịng điện chạy qua, bóng khơng sáng + Khi cơng tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm bóng Q2 dẫn, kéo theo bóng Q1 dẫn có dịng điện từ nguồn U2 qua Thyristor làm đèn sáng + Tiếp theo ta thấy công tắc K1 ngắt đèn sáng, Q1 dẫn, điện áp chân B bóng Q2 tăng làm Q2 dẫn, Q2 dẫn làm áp chân B bóng Q1 giảm làm bóng Q1 dẫn, hai bóng định thiên cho trì trang thái dẫn điện + Đèn sáng trì K2 ngắt => Thyristor không cấp điện ngừng trang thái hoạt động + Khi Thyristor ngừng dẫn, ta đóng K2 đèn không sáng trường hợp ban đầu * Kết luận:Bình thường phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, có điện áp kích vào chân G Thyristor dẫn điện áp đảo chiều cắt điện áp nguồn Thyristor ngừng dẫn - Đo kiểm tra : • Bước 1: Chuyển đồng hồ thang đo x1W • Bước 2: Nối que đo màu đen đồng hồ vào chân Anode (A), nối que đỏ vào chân Cathode (K) linh kiện SCR • Bước 3: Quan sát kết đo - Ứng dụng : o Chỉnh lưu có điều khiển pha, pha, pha (AC-DC) o Nghịch lưu có điều khiển pha, pha, pha o Bộ biến tần (bộ biến đổi tần số) o Bộ driver điều khiển xe điện o Tắt mở thiết bị dùng SCR II FET,MOSFET - Cấu tạo: • Cấu tạo Mosfet ngược Kênh N • G (Gate): cực cổng G cực điều khiển cách lý hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn lại lớp điện mơi cực mỏng có độ cách điện cực lớn dioxitsilic • S (Source): cực nguồn • D (Drain): cực máng đón hạt mang điện • Mosfet có điện trở cực G với cực S cực G với cực D vô lớn, điện trở cực D cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch cực G cực S (UGS) Khi điện áp UGS = điện trở RDS lớn, điện áp UGS > hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS lớn điện trở RDS nhỏ • - Kí hiệu: Qua ta thấy Mosfet có chân tương đương với Transistor: Chân G tương đương với B Chân D tương đương với chân C Chân S tương đương với E - Nguyên lý hoạt động: Mosfet hoạt động chế độ đóng mở Do phần tử với hạt mang điện nên Mosfet đóng cắt với tần số cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn vấn đề điều khiển lại vấn đề quan trọng Mạch điện tương đương Mosfet Nhìn vào ta thấy chế đóng cắt phụ thuộc vào tụ điện ký sinh • • Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet Ugs0 Dòng điện từ S đến D Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet Ugs >0 Điện áp điều khiển đóng Ugs kim lên, tất trường hợp đo khác kim không lên Kiểm tra Transistor thuận PNP tương tự kiểm tra hai Diode đấu chung cực Katôt, điểm chung cực B Transistor, đo từ B sang C B sang E (que đỏ vào B) tương đương đo hai diode thuận chiều => kim lên, tất trường hợp đo khác kim không lên Trái với điều Transistor bị hỏng - Ứng dụng : Tác dụng transistor giúp hỗ trợ việc chuyển đổi cấu điều khiển thiết bị dây chuyền sản xuất theo ý tưởng chủ đầu tư đưa Cịn ứng dụng transistor nói cách nơm na dễ hiệu; mạch giúp tăng hay gọi khuếch đại lớn loại tín hiệu; đóng vai trị cơng tắc dùng để chuyển hóa mạch điện tử điều khiển thiết bị khác Và chức quan trọng dịng transistor Về vấn đề khuếch đại transistor ứng dụng nhiều loa phát thanh, loa nhạc ta nghe nhà, boar mạch micro, âmli… • Cịn vấn đề đảm nhiệm vai trị cơng tắc điện tử dịng transistor thành phần quan trọng khơng thể thiếu ứng dụng tràn lan giới công nghiệp cảm biến điện dung, cảm biến chênh áp, cảm biến output rơle điều khiển… thiết bị máy ảnh; smartphone… Mục tiêu hỗ trợ điều khiển tự động điện tử dạng số Nói chi xa xơi Riêng smartphone Plus tích hợp đến triệu transistor hỗ trợ bỏa mạch IV Diode - Cấu tạo: • • • Chất liệu cấu tạo diode chất Silic, Photpho cuối Bori nguyên tố pha tạp với tạo thành hai lớp bán dẫn P N Chúng tiếp xúc với bề mặt tiếp xúc Các điện tử dư thừa N khuếch tán sang vùng P (lấp chỗ trống vùng P), từ tạo thành lớp lon trung hòa điện Tạo miền cách điện hai chất bán dẫn - Kí hiệu: - Nguyên lý hoạt động: • Khối bán dẫn P chưa nhiều lỗ trống mang điện tishc dương, ghéo vào khối N lỗ trống chuyển động khuếch tán sang khối N Bên cạnh • • • • • • • • • • • khối P lại nhận thêm điện tử(điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết khối P tích điện âm khối N tích điện dương Ở biên giới tiếp giáp, số nguyên tử bị thu hút kết hợp với tạo thành nguyên tử trung hòa Quá trình chuyển hóa giải phóng lượng dạng ánh sáng hình thành điện áp tiếp xúc Sự tích điện âm khối P dương khối N hình thành điện áp có tên điện áp tiếp xúc(UTX) Điện trường sinh ra điện áp làm cản trở chuyển động khuếch tán, sau thời gian chuyển động chấm dứt, tồn điện áp tiếp xúc, khối N P trạng thái cân 0.6V bán dẫn Si 0.3V với bán dẫn GE Điot cho phép dòng điện qua đặt điện áp theo hướng định Đo kiểm tra: Bước 1: Người kiểm tra cần xác định cực dương cực âm diode Bước 2: Đưa đầu dò màu đỏ đồng hồ vạn chạm vào đầu cực dương que màu đen nối với cực âm Bước 3: Quan sát kết hình đồng hồ vạn số Bước 4: Đảo ngược cực đồng hồ vạn - Ứng dụng: Chỉnh lưu AC-DC pha Chỉnh lưu AC-DC pha Chỉnh lưu AC-DC pha Bảo vệ transistor (Tạo dòng điện chạy chiều)  vô tuyến  Nhân điện áp V IGBT - Cấu tạo: Tách sóng Về cấu trúc bán dẫn, IGBT gần giống với MOSFET, điểm khác có thêm lớp nối với Collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p Emiter (tương tự với cực gốc) với Collector (tương tự cực máng), mà khơng n-n MOSFET Vì coi IGBT tương đương với Transistor p-n-p với dòng base điều khiển MOSFET Dưới tác dụng áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với hạt mang điện điện tử hình thành, giống với cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển phía Collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p cấu trúc base, Collector Transistor thường, tạo nên dòng Collector - Kí hiệu: - Nguyên lý hoạt động: Ban đầu, coi khơng có điện áp đặt vào chân G , giai đoạn IGBT trạng thái không dẫn điện Bây tăng điện áp đặt vào chân G, hiệu ứng điện dung lớp SiO2, ion âm tích lũy phía lớp ion dương tích lũy phía lớp SiO2 Điều gây chèn hạt mang điện tích âm vùng p, điện áp đặt vào VG cao chèn hạt mang điện tích âm lớn Điều dẫn đến hình thành kênh điểm nối J2 cho phép dịng điện từ cực C tới cực E Tóm lại nguyên lý hoạt động IGBT sau: Khi có điện áp UGE > 0, kênh dẫn hình thành hạt mang điện (tương tự MOSFET) Các hạt mang điện di chuyển từ cực E cực C vượt qua lớp tiếp giáp N-P để tạo thành dòng Colector (ICE) - Đo kiểm tra: Bước 1: Xả điện áp chân G - C- E Xả điện áp chân để IGBT khơng cịn điện áp kích chân G 10 • Que đo màu đen kết nối với chân C E • Que đo màu đỏ kết nối với chân G Bước 2: Đo kiểm chân C E (có chiều kim lên) • Que đen chạm vào chân C, que đo chạm vào chân E IGBT Lúc kim đồng hồ vạn khơng lên • Que đen chạm vào chân E, que đỏ chạm vào chân C Khi đó, kim thị đồng hồ vạn di chuyển lên (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm IGBT tốt) Bước 3: Thực kích chân G IGBT • Que đo màu đen chạm vào chân G • Que đo màu đỏ chạm vào chân C chân E Bước 4: Tiến hành kiểm tra sau kích chân G Kiểm tra xem kích xong chân C E nào: • Que màu đen kết nối với chân C, que màu đỏ kết nối với chân E => Đồng hồ vạn lên kim (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm tức cặp chân C - E IGBT tốt hay IGBT kích cịn điều khiển tín hiệu kích tốt) • Que màu đen kết nối với chân E, que màu đỏ kết nối với chân C => Kim đồng hồ vạn di chuyển lên (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm tức cặp chân E – C IGBT tốt hay cặp chân thể hình Diode IGBT tốt) Bước 5: Kiểm tra chân lại G – C Đo chân G - C IGBT xem có bị rị hay bị thủng khơng cách: • Đặt que đen vào chân G, que đỏ vào chân C => Kim không lên • Đặt que đen vào chân C, que đỏ vào chân G => Kim không lên Bước 6: Đo bổ sung kiểm tra lớp bán dẫn cực 11 Sau hoàn thành bước kiểm tra IGBT đồng hồ kim thấy linh kiện thỏa mãn tất phép đo, bước tiếp theo, tiến hành đo lớp tiếp dẫn IGBT: Cấu trúc bán dẫn IGBT giống với MOSFET, khác có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p emitter (tương tự cực gốc) với collector (tương tự với cực máng), mà n-n MOSFET Vậy nên, xem IGBT tương đương với transistor p-n-p với dòng base điều khiển MOSFET - Ứng dụng: • Được sử dụng trình điều khiển động xoay chiều chiều  Sử dụng hệ thống cung cấp điện khơng kiểm sốt (UPS) • Sử dụng để kết hợp đặc tích gate-drive đơn giản MOSFET với điện áp cao bão hòa thấp transistor lưỡng cực • Sử dụng nguồn cấp điện có chế độ chuyển mạch (SMPS)  Sử dụng điều khiển động kéo gia nhiệt cảm ứng • Công nghệ IGBT so sánh gần giống với Transistor chức IGBT bếp từ khả đóng cắt siêu nhanh Trong ngành điện cơng nghiệp cơng nghệ IGBTđược ứng dụng máy hàn điện tử, máy cát plasma, máy khí, đóng vai trò biến tần hiệu 12 IGBT ứng dụng việc lắp đặt, vận hành máy nung cao tần Có IGBT giúp cho máy nung hoạt động ổn định với khả chuyển mạch điện nhanh, đảm bảo q trình vận hành ln tiện lợi, nhanh chóng Từ đó, nâng cao suất lao động tiết kiệm tối đa chi phí cho người dùng VI GTO • - Cấu tạo: GTO giống SCR linh kiện bán dẫn lớp có điều khiển tắt cách áp xung âm vào cổng G GTO giống SCR linh kiện bán dẫn lớp, lớp tiếp giáp với cực bên cực A (anode), cực K (Cathode) cực G (Gate) - Kí hiệu: - Ngun lý hoạt động: Để kích đóng GTO, cần đưa xung dòng dương vào cực cổng khác với SCR, dịng cực cổng trì suốt q trình dẫn điện GTO Để kích ngắt GTO phải đặt xung dịng âm vào cực cổng Dịng kích ngắt GTO lớn cỡ 10 lần dịng kích đóng (dịng kích đóng khoảng (30%+5%)iA, dịng kích ngắt khoảng (30%-50%)iA Ngồi ra, việc kích ngắt GTO thực dịng điện qua cịn giá trị IGQM gọi dịng điện đỉnh điều khiển (cho nhà sản xuất).So với SCR định mức, GTO có độ sụt áp dẫn cao hơn, giới hạn 13 𝑑𝑖𝐴 𝑑𝑢𝐴𝐾 𝑑𝑡 𝑑𝑡 , nhỏ • • Đo kiểm tra : Bước 1: Chuyển đồng hồ thang đo x1W Bước 2: Nối que đo màu đen đồng hồ vào chân Anode (A), nối que đỏ vào chân Cathode (K) linh kiện SCR • Bước 3: Quan sát kết đo - Ứng dụng: GTO dùng linh kiệncó chuyển mạch nhanh GTO thường dùng phổ biến mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hoà điện thế… VII Triac - Cấu tạo: Cấu tạo Triac gồm có phần tử bán dẫn, tổng cộng có năm lớp bán dẫn Tất tạo nên cấu trúc đồng p-n-p-n thyristor theo hai chiều cực T1 T2 bảng bo mạch Trang bị Triac giống việc trang bị hai thyristor đấu song song song ngược, dẫn điện hai đầu Muốn cho Triac hoạt động ổn định, người dùng cần cung cấp sung điện cho chân G Triac Hiện nay, loại Triac thông dụng chia thành hai loại chính: • • Triac 3Q: Đây Triac sử dụng kích hoạt góc phần tư 1,2,3 Triac 3Q khơng có mạch bảo vệ nên hoạt động tốt thiết bị có tải khơng điện trở Triac 4Q: Đây loại Triac hoạt động bốn chế độ, trang bị thêm linh kiện bảo vệ bổ sung tụ điện điện trở Khi hoạt động, Triac 4Q mắc nối tiếp với cuộn cảm thiết bị - Kí hiệu: 14 - Nguyên lý hoạt động: Trong bo mạch điện tử, nguyên lý hoạt động Triac giống công tắc điện chuyên dụng Khi điều khiển, chúng xoay chiều chân để tạo thành cơng tắc điện tạm thời; đảm bảo an tồn cho bảng mạch Triac điều khiển dịng điện bo mạch xung dương xung âm Đây điểm linh hoạt khiến cho trở thành phận thiếu bảng bo mạch điện tử Nhưng chất, hoạt động xung điện âm, độ nhạy Triac yếu so với hoạt động xung điện dương Vì thực tế để đảm bảo mạch điều khiển Triac hoạt động tốt nhất, người ta thường sử dụng dòng điện dương để khởi động Đo kiểm tra: Phương pháp sử dụng đồng hồ vạn để kiểm tra tình trạng triac Đầu tiên điều chỉnh công tắc đồng hồ thang đo điện trở cao (100K), sau nối que đo dương đồng hồ với chân MT1 triac que đo âm tới chân MT2 triac (bạn đảo ngược lại kết nối) Kim đồng hồ lên cho kết điện trở cao Tiếp tục chuyển công tắc chọn sang thang đo điện trở thấp, kết nối MT1 cổng G với que đo dương MT2 với que đo âm đồng hồ Kim đồng hồ cho kết qủa điện trở thấp Nếu bạn thực với buớc triac cịn hoạt động tốt Tuy nhiên phương pháp không áp dụng cho triac yêu cầu điện áp cổng dịng cao để kích hoạt - - Ứng dụng: Triac linh kiện thiếu bo mạch điện tử Đây linh kiện đóng vai trị quan trọng; giống công tắc điện xoay chiều Với tính linh hoạt, đại thơng minh, Triac giúp cho thuận lợi chuyển đổi dịng điện xoay chiều dễ dàng bên cạnh đó, áp dụng kích hoạt góc điều khiển AC mạch điều khiển dịng điện Đây điểm hay ho, giúp ứng dụng việc kiểm soát tốc độ động cảm ứng, đèn mờ, kiểm soát máy sưởi điện Ngoài ra, Triac ứng dụng để điều chỉnh độ sáng đèn; tốc độ nhanh chậm quạt, tốc độ máy cưa, máy khoan, nhiệt độ,… Có thể nói rằng, ứng dụng Triac phổ biến, giúp tiết kiệm chi phí thiết bị; chi phí hao tổn 15 điện q trình sử dụng Thay sử dụng hai thyristor cho ứng dụng cơng suất thấp Thì người dần chuyển sang sử dụng Triac để thay 16