điện tử công suất chương I

CHƯƠNG CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN NỘI DUNG CHƯƠNG 1.1 Đặc tính phần tử bán dẫn công suất 1.2 Diode 1.3 Transistor 1.4 Thyristor 1.5 Triac 1.6 MOSFET 1.7 IGBT 1.1 Đặc tính bản của các phần tử công suất • • • • • Dòng điện làm việc: phải lớn dòng tải Điện áp ngược chịu Thời gian dẫn thời gian tắt Điện áp rớt phần tử công suất dẫn Tổn hao công suất 1.2 Diod công suất • Nguyên lí cấu tạo • Gồm hai chất bán dẫn p,n tạo thành mối nối J • UAK> có dòng điện IAK#0 • UAK< không dòng IAK Sơ đồ cấu trúc A J p n K Phân cực cho mối nối p-n p n Etx a) p n b) Engoµi Etx + c) • Thông số diode: • Iđm – dòng điện định mức, tới 7000A ∀ ∆U – sụt áp thuận, khoảng (0,7 - 2)V ∀ ∆P – tổn hao công suất; ∆P = ∆U.I (đến hàng kW) • Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; tới khoảng 2000oC • UN - điện áp ngược; Trong khoảng (50-4000)V • Irò – dòng điện rò, tới vài trăm mA Một số Điốt thông dụng thường gặp Điốt Zener gọi điốt ổn áp, loại Điốt bán dẫn làm việc chế độ phân cực ngược vùng điện áp đánh thủng Điện áp gọi điện áp Zener hay thác lở Khi giá trị điện áp thay đổi Nó chế tạo cho phân cực ngược điốt Zener ghim mức điện áp gần cố định giá trị ghi diode, làm ổn áp cho mạch điện Diode xung Trong nguồn xung đầu biến áp xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu diode xung diode làm việc tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện thông thường thay vào vị trí diode xung được, ngựơc lại diode xung thay cho vị trí diode thường, diode xung có giá thành cao diode thường nhiều lần Về đặc điểm , hình dáng Diode xung khác biệt với Diode thường, nhiên Diode xung thường có vòng dánh dấu đứt nét đánh dấu hai vòng Diode nắn điện Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diode thường có loại 1A, 2A 5A 1.3 Transistor lưỡng cực BJT Bibolar Junction Transistor Nguyên lí, cấu tạo Đặc tính, thông số Đặc điểm cấu tạo Sơ đồ darlington Nguyên lí cấu tạo BJT • Cấu tạo transistor có dạng hình vẽ C Colector Emitter p n p B a) n p B e) c) n Colector C E B C E Base b) C E Base Emitter E d) B f) Mở thyristor • Tăng điện áp thuận UAK lớn Uthmax điện trở nội tiristor giảm mạnh, dòng qua tiristor mạch xác định Phương pháp thực tế không dùng (cần phải tránh) nguyên nhân sau: – Không phải tăng điện áp đến giá trị Uthmax – Trường hợp thường xảy tác dụng xung áp thời điểm ngẫu nhiên, không định trước • Tăng tốc độ biến thiên điện áp du/dt • Đưa xung dòng điện có giá trị định vào cực điều khiển (UGK>0) Đây phương pháp điều khiển tiristor áp dụng thực tế Khoá thyristor • Khi tiristor mở, diện tín hiệu điều khiển Ig không cần thiết, để khoá tiristor có cách: • Giảm dòng qua tiristor xuống giá trị dòng trì Idt • Đặt điện áp ngược lên tiristor (biện pháp thường dùng) Tham số thyristor • Itb • tmở • Ungmax • tkhoá • Ig • du/dt • Ug • di/dt Ưu • Cấu trúc đơn giản; • Sụt áp dẫn nhỏ; • Chịu điện áp cao; • Công suất điều khiển nhỏ; • Van hai cực tính Nhược • Van bán điều khiển (chỉ đk mở, không đk khóa); • Tần số chuyển mạch thấp 1.5 Triac • Cấu trúc kí hiệu • Triac linh kiện dẫn dòng điện hai chiều Vì vậy, định nghĩa dòng thuận dòng ngược ý nghĩa tương tự cho khái niệm điện áp ngược Việc kích dẫn triac thực nhờ xung dòng điện đưa vào cực điều khiển G, điều khiển để Triac đóng điện đưa xung dòng kích vào cực điều khiển điều kiện tồn điện áp linh kiện khác zero • Giống Thyristor, điều khiển ngắt dòng qua triac Triac ngắt theo quy luật giải thích Thyristor a) • Đặc tính Volt-Ampere TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính góc phần tư thứ thứ ba, đoạn giống đặc tính thuận thyristor • TRIAC điều khiển cho mở dẫn dòng xung dương (dòng vào cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy hơn, nghĩa để mở TRIAC cần dòng điều khiển âm lớn so với dòng điều khiển dương Vì thực tế để đảm bảo tính đối xứng dòng điện qua TRIAC sử dụng dòng điện dương tốt • Ứng dụng: Người ta dùng triac để điều chỉnh ánh sáng điện, nhiệt độ lò ….vv… • 1.6.Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ( MOSFET ) Trạng thái van • làm việc với Uds> • dẫn: Ugs> ; bão hoà tốt Ugs=15V • khoá Ugs ≤0 Hoạt động • Khi UGS>0V, điện trường dương cực G hút điện tử P phía hai vùng bán dẫn N • Khi lực hút đủ lớn số điện tử bị hút nhiều hơn, đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N thì kênh dẫn hình thành • Dòng điện ID từ D sang S, điện áp phân cực cho cực G tăng dòng ID lớn • Điện áp UGS đủ lớn để tạo thành kênh dẫn điện gọi điện áp ngưỡng UGS(T) hay UT • Khi UGS0 dẫn : Uge> ; bão hoà tốt Uge=15V khoá Uge ≤ , khoá tốt Uge= -7V Ưu: • Điều khiển điện áp; • Công suất điều khiển nhỏ; • Chịu điện áp cao; • Sụt áp dẫn nhỏ (2-4V tương đương điôt điện trở nối tiếp); • Tham số phụ thuộc vào nhiệt độ; • Tần số chuyển mạch cao đến 30kHz ( thấp MOSET, cao van họ thyristor BT-Dalinhtơn) • Dễ mắc song song; • Công nghệ cho phép nhanh chóng chế tạo với cấp điện áp dòng lớn nữa; Nhược: • Van cực tính; • Cấp điện áp thấp họ thyristor; Hiện chế tạo IGBT : + điện áp cao: 6500V x 600A + dòng lớn: 1700V x 3600A Th«ng sè IGBT • UCES - Điện áp cực đại CE GE ngắn mạch • UGES - Điện áp GE cực đại cho phép CE ngắn mạch • IC- Dòng điện chièu cực đại • ICmax - Dòng điện đỉnh colector; • Pm - Công suất tổn hao cực đại; • TCP - Nhiệt độ cho phép; • IL - Dòng điện tải cảm cực đại; • Ir - Dòng điện rò • UGEng - Điện áp ngưỡng GE • GTO (Gate Turn Off Thyristor) Là phần tử bán dẫn có lớp bán dẫn PNPN SCR Về GTO giống tiristo, nghĩa có khả đóng cắt dòng điện lớn, chịu điện áp cao, có khả chủ động hoàn toàn thời điểm mở khoá tác động tín hiệu điều khiển Trong cấu trúc bán dẫn GTO lớp P, anot bổ xung thêm lớp bán dẫn n+ Khi chưa có dòng điều khiển anot có điện áp dương K toàn điện áp rơi tiếp giáp J2 Nếu K có điện áp dương A tiếp giáp p+- n bị đánh thủng điện áp thấp nghĩa GTO chịu điện áp ngược • Để khoá GTO cần lấy xung dòng khỏi cực điều khiển Khi van dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa số lượng lớn điện tích sinh tượng bắn phá điện tích tạo lên vùng dẫn điện Bằng cách lấy số lượng lớn điện tích qua cực điều khiển vùng dẫn điện bị co hẹp bị ép phía vùng n+ K n+ A Kết dòng điện A bị giảm Dòng điều khiển cần trì thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá [...]... áp t i một th i i m ngẫu nhiên, không định trước • Tăng tốc độ biến thiên i n áp du/dt • Đưa một xung dòng i n có giá trị nhất định vào cực i u khiển (UGK>0) Đây là phương pháp i u khiển tiristor được áp dụng trong thực tế 4 Khoá thyristor • Khi một tiristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu i u khiển Ig là không cần thiết, để khoá tiristor có 2 cách: • Giảm dòng qua tiristor xuống dư i giá trị... dẫn dòng i n ở hai chiều Vì vậy, định nghĩa dòng thuận và dòng ngược không có ý nghĩa tương tự cho các kh i niệm i n áp ngược Việc kích dẫn triac thực hiện nhờ xung dòng i n đưa vào cực i u khiển G, i u khiển để Triac đóng i n là đưa xung dòng kích vào cực i u khiển trong i u kiện tồn t i i n áp trên linh kiện khác zero • Giống như Thyristor, không thể i u khiển ngắt dòng qua triac Triac sẽ... động của transistor Dòng hạt thiểu số Dòng hạt đa số E p n p C E B Vùng hiếm p p n B Vùng hiếm a Dòng hạt đa số E n p IE b Dòng hạt thiểu số p B IB c C IC Nguyên lý hoạt động của tranzitor C 2 Đặc i m kết cấu • Dòng i n i u khiển Ib được xác định Ib = IC/ β • Trong i n tử công suất, dòng i n lớn nên transistor làm việc ở chế độ đóng cắt nên khi mở ph i thoả mãn i u kiện: • Ib = kbh IC/ β (kbh =... ≤0 Hoạt động • Khi UGS>0V, các i n trường dương ở cực G sẽ hút các i n tử của nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N • Khi lực hút đủ lớn thì số i n tử bị hút nhiều hơn, đủ để n i liền hai vùng bán dẫn N thì kênh dẫn được hình thành • Dòng i n ID i từ D sang S, i n áp phân cực cho cực G càng tăng thì dòng ID càng lớn • i n áp UGS đủ lớn để tạo thành kênh dẫn i n g i là i n áp ngưỡng UGS(T)... một chièu cực đ i • ICmax - Dòng i n đỉnh của colector; • Pm - Công suất tổn hao cực đ i; • TCP - Nhiệt độ cho phép; • IL - Dòng i n t i cảm cực đ i; • Ir - Dòng i n rò • UGEng - i n áp ngưỡng GE • GTO (Gate Turn Off Thyristor) Là một phần tử bán dẫn có 4 lớp bán dẫn PNPN như SCR Về cơ bản GTO giống như tiristo, nghĩa là nó có khả năng đóng cắt dòng i n rất lớn, chịu được i n áp cao, ngo i ra... dòng ra kh i cực i u khiển Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn i n tích sinh ra do hiện tượng bắn phá của các i n tích tạo lên vùng dẫn i n Bằng cách lấy i một số lượng lớn các i n tích qua cực i u khiển vùng dẫn i n sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của K và n+ của A Kết quả là dòng i n A sẽ bị giảm cho đến khi về 0 Dòng i u khiển cần được duy trì một th i gian ngắn... hoà), • i n áp bão hoà CE khoảng 1-1,5 V Ib = IC/ β • Do cần hệ số khuếch đ i lớn nên BJT thường cấu tạo dạng darlington Thông số • IC – dòng i n định mức, ( t i 1000A) ∀ β - hệ số khuếch đ i dòng i n • IB = IC/ β – dòng i n base mA ∀ ∆U – sụt áp thuận; (khoảng (0,7 - 2)V) ∀ ∆P – tổn hao công suất sinh nhiệt (đến hàng kW) • Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; T i lớp tiếp giáp khoảng 2000C • UCE - i n. .. UBE - i n áp BE; hàng vôn 3 Sơ đồ darlington • Từ đặc tính tĩnh ở trên thấy rằng hệ số khuếch đ i dòng i n của các transistor công suất nhỏ chỉ khoảng hàng chục Do đó cần mắc hai transistor n i tiếp nhau như hình vẽ • Hệ số khuếch đai: β = β1 β2 iC1 iC iC2 iB = iB1 iE1 = iB2 1.4 Thyristor (SCR) Cấu tạo của thyristor • Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành • Tiristor... trì Idt • Đặt một i n áp ngược lên tiristor (biện pháp thường dùng) Tham số chính của thyristor • Itb • tmở • Ungmax • tkhoá • Ig • du/dt • Ug • di/dt Ưu • Cấu trúc đơn giản; • Sụt áp khi dẫn nhỏ; • Chịu được i n áp cao; • Công suất i u khiển nhỏ; • Van hai cực tính Nhược • Van bán i u khiển (chỉ đk mở, không đk khóa); • Tần số chuyển mạch thấp 1.5 Triac • Cấu trúc và kí hiệu • Triac là linh kiện... + i n áp cao: 900V x 85A + lo i trung bình: 300A x 300V 1.7 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT ) Trạng th i van: làm việc v i Uce>0 dẫn : Uge> 0 ; bão hoà tốt nếu Uge=15V khoá Uge ≤ 0 , khoá tốt nếu Uge= -7V Ưu: • i u khiển bằng i n áp; • Công suất i u khiển nhỏ; • Chịu được i n áp khá cao; • Sụt áp dẫn nhỏ (2-4V tương đương một i t và i n trở n i tiếp); • Tham số ít phụ thuộc vào nhiệt