Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p2) - PGS.TS Lê Minh Phương

Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p2) gồm có những nội dung: The Power MOSFET, MOSFET Regions of Operation, the MOSFET as a Switch, MOSFET Switching Characteristics, datasheet of the MOSFET, đặc điểm của MOSFET,... Mời các bạn tham khảo.

1/21/2013 Ho Chi Minh City University of Technology PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP HỒ CHÍ MINH Contact info: Address: 268 Lý Thường Kiệt, P.14,Q.10, TP Hồ Chí Minh Telephone: 84-08-38647256 (5722) Mobile: 0988572177 E-mail: lmphuong@hcmut.edu.vn; ivanphuong@yahoo.com Power Electronics ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 1/21/2013 Contents – Nội dung Tổng quan Điện tử công suất Các linh kiện bán dẫn Mô Matlab-Simulink Bộ chỉnh lưu Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Bộ biến đổi điện áp chiều Bộ nghịch lưu –biến tần 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong References MÔ PHỎNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG MATLAB/SIMULINK - Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng – Nhà xuất ĐHQG 2011 POWER ELECTRONICS HANDBOOK – Muhammad H Rashid MATLAB/SIMULINK - Mathworks http://www.mathworks.com/ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Nguyễn Văn Nhờ Nhà xuất ĐHQG 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Power Electronics Chương CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 Contents – Nội dung Diodes Bipolar Junction Transistor (BJT) Metal Oxide Semiconductor Effect Transistor (MOSFET) Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Thyristor Gate Turn Of Thyrisor (GTO) Triode Alternative Current (TRIAC) 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Power Electronic Devices The Power MOSFET The development of the metal oxide semiconductor technology for microelectronic circuits opened the way for developing the power metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) device in 1975 In the 1980s, the development of power semiconductor devices took an important turn when new process technology was developed that allowed the integration of MOS and BJT technologies on the same chip 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices The Power MOSFET MOSFET devices used in many IC technology in which the gate, source, and drain terminals are located in the same surface of the silicon wafer The power MOSFET device is a voltage-controlled unipolar device and requires only a small amount of input (gate) current As a result, it requires less drive power than the BJT Device symbols: (a) n-channel enhancement-mode; (b) p-channel enhancement-mode; 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Power Electronic Devices The Power MOSFET Tồn dạng MOSFET Depletion Type - dạng cần điện áp Gate-Source,(VGS) để ngắt “OFF” Trong chế độ depletion, MOSFET khóa "Normally Closed – thường đóng“ Enhancement Type - dạng cần điện áp Gate-Source,(VGS) để đóng “ON” Trong chế độ enhancement, MOSFET khóa "Normally Opened – thường mở“ Trong ĐTCS thường dụng dạng Enhancement 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices MOSFET Structure Khi điện áp VGS>0, điện tử từ lớp n+ cổng Source bị kéo lớp p cổng Gate tạo điều kiện hình thành kênh nối gần cổng Lúc VDS>0 nênđiện tử chạy đến cực Drain làm BJT dẫn, dòng điện chạy từ Drain đến Source Trạng thái đóng ngắt VDS>0, VGS>0 MOSFET “ON” VDS>0, VGS VTh VDS VTh VDS >VGS −VTh Vùng Cut-off (Turn off) VGS< VTh 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 13 Power Electronic Devices The MOSFET as a Switch 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 14 1/21/2013 Power Electronic Devices The MOSFET as a Switch Cut-off Region Here the operating conditions of VGS> VTh VDS >VGS −VTh ID =0 and VDS = VDD Therefore the MOSFET is switched "FullyOFF" Then we can define the "cut-off region" or "OFF mode" of a MOSFET switch as being, gate voltage, VGS < VTH and ID = No Drain current flows ( ID = ) VOUT = VDS = VDD = "1" MOSFET operates as an "open switch" 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 15 Power Electronic Devices The MOSFET as a Switch Triode Region Here the operating conditions of ( VIN =1), ID =max and VDS = Therefore the MOSFET is switched "Fully-ON" The input and Gate are connected to VDD Gate-source voltage is much greater than threshold voltage V GS > VTH MOSFET is "fully-ON" Max Drain current flows ( ID = VDD / RL ) VDS = 0V (ideal condition) Min channel resistance RDS(on) < 0.1Ω VOUT = VDS = RDS.ID MOSFET operates as a "closed switch" 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 16 1/21/2013 Power Electronic Devices MOSFET Switching Characteristics 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 17 Power Electronic Devices MOSFET Switching Characteristics (a) Simplified equivalent circuit used to study turn-on and turn-off characteristics of the MOSFET and (b) simplified equivalent circuit 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 18 1/21/2013 MOSFET is in the off-state for t t0; (c) VGS > VTh, iD VTh, the device starts conducting and its drain current , iD is given as a function of VGS and VTh iD starts flowing exponentially from zero The gate current continues to At t = t3, the Vds reaches decrease exponentially Atits t = t2, iD minimum value determined reaches its maximum value by of Iits 0, on resistance, vDS(ON ) i.e vDS(ON) is given by, 1/21/2013 19 PGS.TS Le Minh Phuong Turn-off switching waveforms Power Electronic Devices At t = t0, the gate voltage, VGG(t) is reduced to zero for t≥t0: For t2−t1, the gate-to-source voltage is constant VGS(t1) = (I0/gm) + VTh=const At t = t2, the drain-to-source voltage becomes equal to VDD 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong For t>t3, the gate voltage continues to decrease exponentially to zero, at which the gate current becomes20 zero 1/21/2013 Power Electronic Devices Datasheet of the MOSFET 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 21 Power Electronic Devices Đặc điểm MOSFET MOSFET linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt hồn tồn điện áp VGS, tín hiệu ln phải trì muốn MOSFET trạng thái đóng 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 22 10 1/21/2013 Power Electronic Devices Đặc điểm MOSFET MOSFET linh kiện bán dẫn có tần số đóng ngắt cao đến 1MHz Khả chịu điện áp dòng điện khơng lớn (500 V, 100A) MOSFET ứng dụng biến đổi công suất nhỏ tần số cao Độ sụt áp MOSFET cao so với BJT Điện trở thuận MOSFET lớn đến 300m A datasheet of MOSFET A datasheet of MOSFET 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 23 Power Electronic Devices Đặc điểm MOSFET http://www.fairchildsemi.com http://www.irf.com/indexnsw.html http://www.semikron.com 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 24 11 1/21/2013 Power Electronic Devices Insulated Gate Bipolar Transistor The insulated gate bipolar transistor (IGBT) - ứng dụng vào đầu năm 1980, trở thành thiết bị thành công nhờ đặc tính vượt trội Nhiều ứng dụng không khả thi kinh tế không sử dụng IGBTs Trước xuất IGBT, BJT MOSFET sử dụng rộng rãi ứng dụng với cơng suất trung bình tần số cao Power BJTs có đặc tính tĩnh tốt (on-state characteristics) thời gian chuyển mạch lớn điều khiển dòng điện với hệ số khuyếch đại nhỏ MOSFET điều khiển điện áp với dòng điều khiển nhỏ (mạch điều khiển đơn giản), tần số đóng ngắt cao, điện áp định mức thấp 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 25 Power Electronic Devices Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT kết hợp ưu điểm BJT MOSFET: -Đặc tính tĩnh vượt trội (on-state characteristics) -Tần số đóng ngắt cao nhỏ MOSFET -Hoạt động với độ tin cậy cao - Thay MOSFET ứng dụng điện áp cao tổn hao nhỏ -Khả mang điện áp, dòng điện tần số đóng ngắt cao so với BJT 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 26 12 1/21/2013 Power Electronic Devices Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt hồn tồn điện áp Cấu tạo gồm lớp tiếp xúc p-n-p-n, điện cực Collector (C), Emitter (E), Gate (G) Mạch công suất nối C-E, mạch điều khiển nối cổng GE 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 27 Power Electronic Devices StaticCharacteristics Đặc tuyến VA tương tự MOSFET (thay đổi ký hiệu cực , D  C, S E) 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 28 13 1/21/2013 Power Electronic Devices Dynamic Switching Characteristics td thời gian trễ đóng tr thời gian tăng dòng ton=td+tr thời gian đóng ts Thời gian trễ ngắt tf Thời gian giảm dòng Toff=ts+tf thời gian ngắt Tần số đóng ngắt cao so với BJT thấp MOSFET, tON IGBT  tON MOSFET , tOFF IGBT > tOFF MOSFET 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 29 Power Electronic Devices Dynamic Switching Characteristics 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 30 14 1/21/2013 Power Electronic Devices Đặc điểm IGBT IGBT linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt hồn tồn điện áp VGE, tín hiệu ln phải trì muốn IGBT trạng thái đóng 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 34 Power Electronic Devices Đặc điểm IGBT Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất IGBT giúp thay dần GTO ứng dụng công suất lớn Sụt áp dẫn điện thấp Khả chịu tải đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6.3kV) dòng điện vài ngàn Amper (2.4kA) Tần số đóng ngắt cao đến 100kHz 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 35 15 1/21/2013 Power Electronic Devices Datasheet of IGBT 1/21/2013 36 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronics  For Building THANK YOU FOR YOUR ATTENTION 1/21/2013 37 16 ... http://www.mathworks.com/ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Nguyễn Văn Nhờ Nhà xuất ĐHQG 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Power Electronics Chương CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện Điện Tử Trường... Tổng quan Điện tử công suất Các linh kiện bán dẫn Mô Matlab-Simulink Bộ chỉnh lưu Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Bộ biến đổi điện áp chiều Bộ nghịch lưu –biến tần 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong... Le Minh Phuong 26 12 1/21/2013 Power Electronic Devices Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt hoàn toàn điện áp Cấu tạo gồm lớp tiếp xúc p-n-p-n, điện