Bài giảng Điện tử công suất và điều khiển động cơ - Chương 1: Dụng cụ bán dẫn công suất - Nguyễn Thị Hồng Hạnh

CHƯƠNG 1 DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT Điốt công suất Transistor công suất Thyristor Triac GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN Pha thêm nguyên tố nhóm V (lớp ngoài cùng có 5 điện tử), 4 điện tử sẽ ghép với điện tử lớp ngoài của nguyên tố Si chỉ còn lại 1 điện tử. Điện tử này dễ bị tách khỏi lớp ngoài của nguyên tố nhóm V để trở thành điện tử tự do di chuyển trong cấu trúc tinh thể. Bán dẫn loại n GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN (tiếp) Pha thêm nguyên tố nhóm III (lớp ngoài cùng có 3 điện tử tự do), chúng sẽ ghép với điện tử lớp ngoài của nguyên tố Si kết quả xuất hiện lỗ trống bên trong cấu trúc tinh thể, nó có khả năng nhận thêm một điện tử. Bán dẫn loại p ĐIỐT CÔNG SUẤT Cấu trúc và nguyên lý hoạt động a) Trạng thái bình thường, điốt không dẫn b) Khi điện áp thuận đặt vào điốt c) Khi điện áp ngược đặt vào điốt ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp) Đặc tính vôn - ampe fV : điện áp rơi trên điốt : dòng điện rò : điện áp đánh thủng rI bV Đặc tính chia làm hai phần: - Nhánh phân cực thuận, điốt dẫn - Nhánh phân cực ngược, điốt khóa ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp) Thông số điện cơ bản fV rI - Điện áp thuận rơi trên điốt theo chiều từ A đến K khi điốt mở hoàn toàn. - Điện áp đánh thủng xảy ra khi điốt bị phá hủy do điện áp ngược vượt quá ngưỡng chịu đựng của lớp tiếp giáp. - Dòng điện rò chảy trong điốt khi chịu điện áp ngược. - Thời gian phục hồi thuận tính từ lúc xuất hiện dòng điện thuận đến khi điện áp rơi trên điốt xác lập. - Thời gian phục hồi ngược tính từ lúc bắt đầu xuất hiện điện áp ngược đến khi dòng điện rò xác lập bV frt rrt ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp) Ví dụ quá trình chuyển trạng thái từ dẫn sang khóa a) Quá trình quá độ không dao động b) Quá trình quá độ có dao động tắt dần ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp) Hình ảnh điốt công suất Điốt kép MUR3060 của hãng Motorola 30FI A= 600RRMV V= 1.12FV V= 35 60rrt ns= − TRANSISTOR CÔNG SUẤT Giới thiệu BJT MOSFET TRANSISTOR CÔNG SUẤT - BJT Cấu trúc và nguyên lý hoạt động BC ii β= TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Cấu trúc và nguyên lý hoạt động (tiếp) BJT công suất chịu điện áp lớn khi khóa, dẫn dòng lớn khi đóng. BJT công suất TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Đặc tính vôn – ampe Quan hệ giữa điện áp hai cực và dòng điện chảy qua các cực. TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Đặc tính vôn – ampe (tiếp) SOA là yếu tố rất được quan tâm khi BJT hoạt động ở chế độ băm xung TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Chế độ hoạt động băm xung Tốc độ chuyển trạng thái là yếu tố quan trọng. rit thời gian đi lên của Ci fit thời gian đi xuống của Ci thời gian phục hồist dt thời gian trễ ont offt thời gian BJT chuyển trạng thái dẫn thời gian BJT chuyển trạng thái khóa TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp) Hình ảnh BJT 2N5038 của hãng ON, loại BJT npn max 5BI A= max 20 ( ) / 30 ( )CI A cont A pul= 0 90CEV V= max 140lossP W= BUF410A của hãng ST, loại BJT npn max 3BI A= max 15 ( ) / 30 ( )CI A cont A pul= 0 250CEV V= max 125lossP W= TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET Cấu trúc và nguyên lý hoạt động Cấu trúc phân lớp theo chiều thẳng đứng. Mở bằng áp, yêu cầu cầu dòng mở rất nhỏ. Có hai loại cấu trúc phổ biến: ech và dep. TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Đặc tính vôn - ampe TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Đặc tính vôn – ampe (tiếp) SOA là yếu tố rất được quan tâm khi MOSFET hoạt động ở chế độ băm xung TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Chế độ hoạt động băm xung Đặc tính đóng mở của MOSFET cũng tương đối giống như BJT tuy nhiên do cấu trúc có sự khác biệt nên thông số ảnh hưởng đến chế độ hoạt động cũng tương đối khác. Trong vùng tuyến tính, điện trở dẫn của MOSFET không đổi. Từ đó xác định được áp rơi và công suất tổn hao ( )DS onR ( )DS DS on DU R I= 2 oss ( )l D DS onP I R= DSU osslP TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Chế độ hoạt động băm xung (tiếp) Tích hợp điốt ngược bên trong vỏ linh kiện đối với MOSFET. Nó đóng vai trò phần tử hoàn năng lượng khi MOSFET chuyển trạng thái từ dẫn sang khóa. Tụ điện ký sinh giữa hai cực MOSFET ảnh hưởng đến đặc tính đóng cắt của phần tử, ảnh hưởng càng lớn khi tần số đóng cắt càng lớn. TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp) Hình ảnh MOSFET IRF634 của hãng International Rectifier, MOSFET enh, kênh n NTMS4816N của hãng ON, loại MOSFET enh kênh n ( ) 0.45DS onR = Ω 8.1DI A= 250DSSV V= , 30on offt t ns< max 74lossP W= ( ) 0.016 (4.5 )DS onR V= Ω 11DI A= 30DSSV V= , 20on offt t ns< max 1.37lossP W= THYRISTOR Cấu trúc và nguyên lý hoạt động - Chịu được điện áp đặt lớn khi không dẫn - Khả năng dẫn phụ thuộc vào giá trị dòng điện điều khiển - Chuyển trạng thái khóa khi dòng dẫn thấp hơn giới hạn cho phép HA Ii = THYRISTOR (tiếp) Đặc tính vôn - ampe - 1: Đoạn khóa thuận - 2: Đoạn dẫn - 3: Đoạn khóa ngược THYRISTOR (tiếp) Thông số điện cơ bản - Dòng điện định mức dẫn - Điện áp ngược cực đại - Điện áp rơi trên thyristor khi dẫn - Điện áp điều khiển - Dòng điện điều khiển - Tốc độ tăng dòng điện - Tốc độ tăng điện áp - Dòng điện rò onI RBDU fU GU GI dtdi / dtdv / rI THYRISTOR (tiếp) Hình ảnh thyristor Thyristor kép MSS40 của hãng ST LS43__50 của hãng POWEREX AIF 55= mAIG 50= VVFBD 800= VVG 3.1= sAdtdi µ/50/ = sVdtdv µ/1000/ = AIF 900= mAIG 200= VVFBD 1600= VVG 3= sAdtdi µ/200/ = sVdtdv µ/1000/ = TRIAC Cấu trúc và nguyên lý hoạt động - Hai phần tử thyristor đấu ngược nhau - Cực điều khiển đấu chung - Chuyển trạng thái khóa khi dòng dẫn thấp hơn giới hạn cho phép hoặc khi 0=GI TRIAC (tiếp) Đặc tính vôn - ampe - Góc phần tư thứ nhất ứng với - Góc phần tư thứ hai ứng với 12 TT VV > 21 TT VV > TRIAC (tiếp) Hình ảnh triac BTA06 của hãng ST ( ) 0.45DS onR = Ω 8.1DI A= 250DSSV V= , 30on offt t ns< max 74lossP W=