Báo cáo môn học Điện tử công suất tên Đề tài tìm hiểu về các linh kiện bán dẫn

Nguyên lý hoạt động Khi điện thế cực Anode lớn hơn điện thế cực Cathode, lớp tiếp xúc phân cực thuận, dòng điện I, chạy theo chiều như hình vẽ, lúc này điện áp trên linh kiện có giá trị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Tên đề tài: Tìm hiểu về các linh kiện bán dẫn

Giáo viên hướng

dẫn

: T.S Vũ Hữu Công

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Việt Dũng

Mã số sinh viên : 0237966

Hà Nội, 2025

Chương 1: Diode

1.1 Cấu tạo

Diode là linh kiện bán dẫn ứng dụng trong điện tử công suất có cấu tạo đơn giản nhất,

bao gồm 2 điện cực Anode và Cathode và có chứa một lớp tiếp xúc p-n

1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi điện thế cực Anode lớn hơn điện thế cực Cathode, lớp tiếp xúc phân cực thuận, dòng điện I, chạy theo chiều như hình vẽ, lúc này điện áp trên linh kiện có giá trị rất nhỏ (<1V), đối với diode lí tưởng giá trị này bằng 0

Khi đặt điện cực dương của nguồn gắn vào Anode, điện cực âm của nguồn gắn vào Cathode, ta có tiếp xúc phân cực thuận Điện tử từ cực âm vào vùng n, vùng tiếp xúc, một phần kết hợp với phần tử mang điện lỗ trống, phần còn lại qua vùng p tới cực dương nguồn điện, diode dẫn

Khi đặt điện cực dương của nguồn gắn vào cực Cathode, điện cực âm của nguồn gắn vào Anode, ta có tiếp xúc phân cực ngược Chỉ có một số ít điện từ vùng p dịch chuyển qua vùng tiếp xúc, một phần kết hợp với phân tử mang điện lỗ trồng, phần còn lại qua vùng n tới cực dương của nguồn nhưng coi như không đáng kể, diode ngắt

1.3 Đặc tính

 Điện áp sụt thấp khi dẫn

 Tốc độ chuyển mạch nhanh

 Khả năng chịu dòng điện giới hạn

 Điện áp đánh thủng ngược

1.4 Ứng dụng

 Chỉnh lưu: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

 Bảo vệ mạch: Ngăn chặn dòng điện ngược chảy vào mạch

 Tách sóng: Loại bỏ thành phần một chiều khỏi tín hiệu xoay chiều

 Đèn LED: Tạo ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua

Chương 2: Mosfet

2.1 Cấu tạo

MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn bằng điện áp ở công điều khiển Gate MOSFET có 2 loại PNP và NPN

MOSFET có 3 điện cực D (Drain), S (Source), G (Gate) Mạch điều khiển gắn vào cực G-S và điện áo điều khiển UBE - Mạch công suất gắn vào cực D-S

2.2 Nguyên lý hoạt động

OSFET có 3 điện cực D (Drain), S (Source), G (Gate) Mạch điều khiển gắn vào cực

G-S và điện áo điều khiển UBE - Mạch công suất gắn vào cực D-G-S

2.3 Đặc tính

MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn Do đó, công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn

2.4 Ứng dụng

 Công tắc điện tử: Điều khiển bật/tắt các tải

 Khuếch đại: Tăng cường tín hiệu điện

 Biến tần: Chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số và biên

độ thay đổi

Chương 3: IGBT

3.1 Cấu tạo

GBT có cấu trúc gồm bốn lớp p-n-p-n IGBT có cấu tạo gồm 3 cổng: G, C, E Mạch điều khiển nối vào cổng GE, mạch công suất được nối giữa cổng C-E

3.2 Nguyên lý hoạt động

IGBT được thực hiện từ sự kết hợp giữa IGBT đầu vào với công G cách ly và transistor dạng n-p-n đầu ra, nhờ đó mà IGBT tập hợp được những đặc tính của cả BJT và MOSFET Cổng Gate của IGBT giống như cổng G của MOSFET, còn cực C và E giống như BJT

Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với Emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng Glàm giàu điện tích mạch cổng p của transistor

n-p-n và làm cho IGBT dẫn-p-n điện-p-n Để n-p-ngắt IGBT ta n-p-ngắt điện-p-n áp cấp cho côn-p-ng GE

Khi điện thế cực C âm, lớp tiếp xúc p-n khuếch tán phân cực ngược, ngăn không cho dòng điện tải chạy trong linh kiện – linh kiện ở trạng thái ngắt

Khi cực G có điện áp mát (ground potential) mà điện áp dương trên cực C, tiếp xúc p-n khuếch tán cũng phân cực ngược, làm cho dòng điện tải không chạy trong linh kiện – linh kiện ở trạng thái chưa dẫn

Khi cực G mang điện thế dương lớn hơn điện áp đóng VTh, kênh n được hình thành cho phép điện tử dịch chuyển vào vùng n-khuếch tán Lớp tiếp xúc p-n khuếch tán phân cực thuận và điện tích lỗ hồng dịch chuyển vào vùng khuếch tán Trong vùng này điện tử kết hợp với điện tích lỗ hồng thiết lập khoảng trung hòa, các điện tích lỗ hổng còn lại kết nối với cực E, tạo dòng điện giữa hai cực E-C

3.3 Đặc tính

 Kết hợp ưu điểm của MOSFET và BJT: trở kháng vào lớn, điện áp sụt thấp, khả năng chịu dòng lớn

 Tần số chuyển mạch cao

 Hiệu suất cao

3.4 Ứng dụng

 Biến tần công suất cao: Điều khiển động cơ điện trong các ứng dụng công nghiệp

 Hàn: Cung cấp dòng điện lớn để nung chảy kim loại

 Sạc pin: Điều khiển dòng sạc cho pin

Chương 4: Thyristor

4.1 Cấu tạo

Thyristor gồm 3 lớp PN và mắc vào mạch ngoài gồm 3 cổng: điện cực anode A, cathode

C và cổng điều khiển G Về mặt lý thuyết tồn tại cấu trúc thyristor: PNPN và NPNP, trong thực tế người ta chỉ phát triển và sử dụng loại PNPN

4.2 Nguyên lý hoạt động

 Cần một xung kích ban đầu để kích hoạt thyristor

 Sau khi được kích hoạt, thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn cho đến khi dòng điện qua nó giảm xuống dưới một giá trị nhất định

4.3 Đặc tính

 Khả năng chịu dòng điện và điện áp lớn

 Tốc độ chuyển mạch chậm

 Khó tắt khi đang dẫn

4.4 Ứng dụng

 Chỉnh lưu có điều khiển: Điều chỉnh điện áp một chiều

 Bảo vệ quá tải: Ngắt mạch khi dòng điện quá lớn

 Điều khiển động cơ: Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

So sánh tổng quan

Tính năng Diode MOSFET IGBT Thyristor Cấu tạo 2 lớp PN 3 cực 3 cực 3 lớp PNPN Điều khiển Không Điện áp Gate Điện áp Gate Xung kích ban đầu Tốc độ Nhanh Rất nhanh Cao Chậm Khả năng

chịu dòng Hạn chế Lớn Rất lớn Rất lớn Ứng dụng Chỉnh lưu,

bảo vệ

Công tắc, khuếch đại

Biến tần công suất cao

Chỉnh lưu có điều khiển, bảo vệ

Mô phỏng

 Diode chỉnh lưu 1 pha nửa chu kì

 Nguyên lý hoạt động của mạch:

- Nguồn điện xoay chiều: Nguồn điện xoay chiều U2 cung cấp điện áp vào cho mạch Điện áp này thay đổi theo thời gian, luân phiên đổi chiều

- Diode: Diode chỉ cho phép dòng điện đi qua theo một chiều duy nhất, từ cực dương sang cực âm

- Điện trở: Điện trở R là tải, nơi mà dòng điện một chiều sẽ cung cấp năng lượng

 Quá trình hoạt động:

- Nửa chu kỳ dương: Khi điện áp U2 có cực dương ở đầu nối với diode, diode sẽ dẫn điện Dòng điện sẽ chảy từ nguồn, qua diode, qua điện trở và trở lại nguồn Tại thời điểm này, điện áp Ud trên điện trở sẽ có cùng chiều với U2

- Nửa chu kỳ âm: Khi điện áp U2 đổi chiều, cực âm ở đầu nối với diode, diode D

sẽ không dẫn điện Không có dòng điện chạy qua mạch và điện áp Ud sẽ bằng 0

 Thyristor chỉnh lưu 1 pha nửa chu kì

 Nguyên lý hoạt động:

- Nguồn xoay chiều U2: Cung cấp điện áp xoay chiều cho mạch

- Thyristor: Là linh kiện bán dẫn có khả năng điều khiển dòng điện một chiều Khi nhận được xung kích kích hoạt, thyristor sẽ dẫn điện

- Điện trở tải Rd: Là tải tiêu thụ của mạch

- Góc mở α: Là góc trễ giữa thời điểm áp dụng xung kích kích hoạt và thời điểm điện

áp pha qua thyristor đạt giá trị dương

 Quá trình hoạt động:

- Khi điện áp pha u2 dương và đạt đến góc mở α: Xung kích kích hoạt được áp dụng lên thyristor, làm cho thyristor dẫn điện Dòng điện sẽ chảy qua thyristor, điện trở tải

và trở về nguồn

- Khi điện áp pha u2 âm: Thyristor tự tắt, dòng điện ngừng chảy

- Trong nửa chu kỳ còn lại: Thyristor không dẫn điện do không có xung kích kích hoạt