Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p1) - PGS.TS Lê Minh Phương

Chương này gồm có những nội dung chính sau: 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). Mời tham khảo.

Trang 1

1

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

2

Power Electronics

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM

TPHCM

2012

Trang 2

3

1 Tổng quan về Điện tử công suất

2 Các linh kiện bán dẫn

3 Mô phỏng Matlab-Simulink

4 Bộ chỉnh lưu

5 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

6 Bộ biến đổi điện áp một chiều

7 Bộ nghịch lưu –biến tần

PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

4

MATLAB/SIMULINK - Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng – Nhà xuất bản ĐHQG 2011

2 POWER ELECTRONICS HANDBOOK –

Muhammad H Rashid

3 MATLAB/SIMULINK - Mathworks

http://www.mathworks.com/

4 ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 – Nguyễn Văn Nhờ

Nhà xuất bản ĐHQG

References

1/21/2013

Trang 3

5

Chương 2

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN

PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM

TPHCM

2012

6

1 Diodes

2 Bipolar Junction Transistor (BJT)

3 Metal Oxide Semiconductor Effect Transistor

(MOSFET)

4 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

5 Thyristor

6 Gate Turn Of Thyrisor (GTO)

7 Triode Alternative Current (TRIAC)

Contents – Nội dung

1/21/2013

Trang 4

7

Các linh kiện bán dẫn cơ bản

1/21/2013

8

Đặc điểm:

 Chỉ làm việc ở chế độ đóng ngắt switching (Đóng –Ngắt)

 Cho dòng điện lớn nhất chạy qua

 Điện áp trên linh kiện nhỏ (Vf 0)

 Điện trở Rf 0

 Dòng điện thuận If =0

 Điện trở Rr 

Power Electronic Devices

1/21/2013

Trang 5

9

So sánh công suất các linh kiện bán dẫn

1/21/2013

10

The PN Junction

1/21/2013

Steady State

When no external source is connected to the pn junction, diffusion

(khuyếch tán) and drift (tái kết) balance each other out for both the

holes and electrons

Space Charge Region - Depletion region (vùng hiếm)

This region includes the net positively and negatively charged regions

The space charge region does not have any free carriers

Metallurgical Junction:

The interface where the p- and n-type materials meet

Na & Nd:

Vùng mang điện tích âm và điện tích dương

Trang 6

11

Diodes

1/21/2013

Diode là linh kiện bán dẫn không điều khiển có cấu tạo đơn giản nhất,

gồm một lớp tiếp xúc p-n, gồm 2 điện cực Anode (A) và K (Cathode)

The diode is designed to allow current to flow in only one direction The

perfect diode would be a perfect conductor in one direction (forward

bias) and a perfect insulator in the other direction (reverse bias).In many

situations, using the ideal diode approximation is acceptable

12

Diodes

1/21/2013

When an external voltage is applied, the p-n junction is considered

biased There are two types of biasing: Forward bias and Reverse bias

Forward Bias - Phân cực

thuận,(UAK>Vf):

When the applied voltage increases,

current starts to flow across the junction

Trang 7

13

Diodes

1/21/2013

Reverse Bias -Phân cực ngược, U AK <0:

Diode ngắt: Chỉ có một số ít điện tử từ vùng p dịch chuyển qua vùng

tiếp xúc, một phần kết hợp với phần tử mang điện lỗ hổng phần còn lại

qua vùng n tới cực dương của nguồn, tạo ra dòng điện rò (leakage

currrent) Khi số tất cả các phần tử mang điện dịch chuyển hết thì dòng

giảm về 0

14

Đặc tính V-A

1/21/2013

 VD = Bias Voltage

 ID = Current through Diode

 Ileakage = Dòng rò

 VBR = Breakdown Voltage

 Vf = Barrier Potential Voltage

Trang 8

15

Đặc tính động

1/21/2013

Thời gian đóng diode - Forward recovery time tFR :

Thời gian cần thiết để diode

có thể dòng qua diode tăng đến giá trị xác lập khi điện

áp thuận đặt trên hai đầu cực của diode

Thời gian phục hồi tính

Revecovery Time tRR :

Thời gian cần thiết để diode phục hồi khả năng chịu áp khoá khi quá trình dẫn thuận chấm dứt

b a

t  

16

Các dạng diode

1/21/2013

Silicon rectifier diode – diode chỉnh lưu

- Có khả năng mang dòng điện lớn

- Điện trở thuận nhỏ (m) và điện trở ngược lớn (M)

- Ứng dụng trong Power supplies, UPS, rectifiers/inverters,…

Trang 9

17

Các dạng diode

1/21/2013

Small signal diode:

- Có ứng dụng rộng rãi nhất

- Ứng dụng trong các mạch như : switch in rectifiers, limiters,

capacitors, mạch tạo tín hiệu

18

1/21/2013

Schottky Diodes:

- These diodes are designed to have a very fast switching time which

makes them a great diode for digital circuit applications

- They are very common in computers because of their ability to be

switched on and off so quickly

Trang 10

19

1/21/2013

Zener diode:

- Ứng dụng chính là tạo điện áp tham chiếu và điều chỉnh

- Khả năng duy trì điện áp phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ và điện trở

20

1/21/2013

Photo diode:

- Khi tiếp xúc (junction) bị tác động của ánh sáng, các photon tạo ra

điện tích lỗ hổng và tạo ra photocurrent nhờ quá trình dịch chuyển

-Photo-diode hoạt động như một nguồn dòng, và tăng khi cường độ

ánh sáng tăng

Trang 11

21

1/21/2013

Light emitting diode (LED):

Light-emitting diodes được thiết kế với vùng dịch chuyển lớn sao cho

các hạt khi qua vùng nghèo (depletion region) sẽ tạo ra photon ánh

sáng LED với vùng dịch chuyển năng lượng cao sẽ tạo ra ánh sáng

nhìn thấy LED với vùng dịch chuyển năng lượng cao sẽ tạo ra ánh

sáng LED với vùng dịch chuyển năng lượng thấpsẽ phát ra bức xạ

hồng ngoại

23

Typical Diode Ratings

1/21/2013

Voltage Ratings:

Repetitive peak inverse voltage (VRRM ):

The non-repetitive voltage (VRM): khả năng chịu điện áp ngược

Current Ratings

The datasheet of a diode normally specifies three different current

ratings:

(1) the average current,

(2) the rms current, and

(3) the peak current

Trang 12

24

Typical

Diode

Ratings

1/21/2013

25

Snubber Circuits for Diode

1/21/2013

Snubber circuits cần thiết khi diode chuyển mạch, nó giúp bảo vệ

diode khỏi quá điện áp phát sinh trong quá trình are essential for

diodes used in switching reverse recovery

Trang 13

26

Typical Applications of Diodes

1/21/2013

27

1/21/2013

1 Dùng trong mạch chỉnh lưu

Trang 14

28

1/21/2013

1 Dùng trong mạch chỉnh lưu

31

Power Bipolar Transistors (BJT)

1/21/2013

The bipolar junction transistor (BJT) consists of a three-region

structure of n-type and p-type semiconductor materials, it can be

constructed as npn as well as pnp

 Gồm 3 điện cực Collector (C), Emitter (E) và Base (B)

Mạch công suất nối giữa C-E, mạch điều khiển nối giữa cổng B-E

 Tồn tại hai dạng BJT: n-p-n và p-n-p

BJT là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng

dòng điện

Trang 15

32

Power Bipolar Transistors (BJT)

1/21/2013

38

The NPN Transistor

1/21/2013

Trang 16

40

Nguyên lý làm việc

1/21/2013

Khi VBE>0 lớp tiếp xúc p-n giữa Base và Emiter phân cực thuận, nhờ đó điện tử dịch chuyển từ Emiter đến Base Vì vùng Base có cấu trúc rất mỏng nên chỉ

có một phần nhỏ điện tử kết hợp với điện tích dương ở vùng này

Lúc này VCE>0 nên Phần lớn điện tử sẽ chạy đến vùng phân cực ngược Base – Collector và tới cực Collector làm BJT dẫn

Trạng thái đóng ngắt

UCE>0, IB>0  BJT đóng (dẫn) UCE>0 ,IB<=0  BJT ngắt n

n

p

B C

E

U CE

holes

I C

I B

41

Đặc tính V-A

1/21/2013

2 Active region – Constant current

The active region is horizontal portion of curves It shows

“constant” i C current, because the collector current does not change significantly with

V CE for a given i B

Those portions are used only for small signal transistor operating as linear amplifiers

1 Cut-off Region

Here the operating conditions of the transistor are zero input base current (IB), zero output collector current (IC) and maximum collector voltage (V CE )

Therefore the transistor is switched

"Fully-OFF"

3 Saturation Region

Here the transistor will be biased so: the collector current is maximum in the minimum collector emitter voltage drop

Therefore the transistor is switched

"Fully-ON"

Trang 17

43

The Transistor as a Switch

1/21/2013

1 Cut-off Region

Then we can define the "cut-off region" or "OFF

mode" when using a bipolar transistor as a

switch as being, both junctions reverse biased,

UBE < 0.7V and IC = 0

Base-Emitter voltage V BE < 0.7V

Base-Emitter junction is reverse

Base-Collector junction is reverse

No Collector current flows (I C = 0)

VOUT = VCE = VCC = "1”

Transistor is "fully-OFF" (Cut-off region)

44

1/21/2013

2 Saturation Region

Then we can define the "saturation region" or

"ON mode" when using a bipolar transistor as a

switch as being, both junctions forward biased,

UBE > 0.7V and IC = Maximum

The input and Base are connected to V CC

Base-Emitter voltage V BE > 0.7V

Base-Emitter junction is forward biased

Base-Collector junction is forward biased

Transistor is "fully-ON" (saturation region)

Max Collector current flows (I C = Vcc/R L )

V CE = 0 (ideal saturation)

V OUT = V CE = "0"

Transistor operates as a "closed switch"

Trang 18

45

1/21/2013

46

Dynamic Switching Characteristics

1/21/2013

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

Trang 19

58

For Building

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION



1/21/2013

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	1,34 MB