Giáo trình Điện tử Công suất - Chương 2: Các linh kiện bán dẫn - Lê Minh Phương

Nội dung text: Giáo trình Điện tử Công suất - Chương 2: Các linh kiện bán dẫn - Lê Minh Phương

1. 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 1 Power Electronics ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 2 1
2. 1/21/2013 Contents – Nội dung 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 3 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong References 1. MÔ PHỎNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG MATLAB/SIMULINK - Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng – Nhà xuất bản ĐHQG 2011 2. POWER ELECTRONICS HANDBOOK – Muhammad H. Rashid 3. MATLAB/SIMULINK - Mathworks. 4. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 – Nguyễn Văn Nhờ Nhà xuất bản ĐHQG 4 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 2
3. 1/21/2013 Power Electronics Chương 2 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 5 Contents – Nội dung 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) 6 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 3
4. 1/21/2013 Power Electronic Devices Các linh kiện bán dẫn cơ bản 7 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices Đặc điểm:  Chỉ làm việc ở chế độ đóng ngắt switching (Đóng –Ngắt)  Khi đóng (ON):  Cho dòng điện lớn nhất chạy qua  Điện áp trên linh kiện nhỏ (Vf  0).  Điện trở Rf  0  Khi ngắt (OFF):  Dòng điện thuận If =0  Điện trở Rr  8 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 4
5. 1/21/2013 Power Electronic Devices So sánh công suất các linh kiện bán dẫn 9 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices The PN Junction SteadyMetallurgical State Junction: NaSpace & Nd Charge: Region - Depletion region (vùng hiếm). WhenThe interface no external where source the p -is and connected n-type materials to the pn meet.junction, diffusion VùngThis region mang includesđiện tích theâm netvà điệnpositively tích dương and negatively. charged regions. (khuyếch tán) and drift (tái kết) balance each other out for both the 10 1/21/2013 PGS.TSThe space Le Minhcharge Phuong region does not have any free carriers. holes and electrons 5
6. 1/21/2013 Power Electronic Devices Diodes 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. 11 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices Diodes 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, 12 1/21/2013 PGS.TScurrent starts Le Minh to flow Phuong across the junction. 6
7. 1/21/2013 Power Electronic Devices Diodes Reverse Bias -Phân cực ngược, UAK<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. 13 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices Đặc tính V-A  VD = Bias Voltage  ID = Current through Diode  Ileakage = Dòng rò  VBR = Breakdown Voltage  Vf = Barrier Potential Voltage 14 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 7
8. 1/21/2013 Power Electronic Devices Đặc tính động 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 nghịch – Reverse Revecovery Time tRR: Thời gian cần thiết để diode phục hồi khả năng chịu áp khoá khi quá trình dẫn thuận chấm dứt 15 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong tRR ta tb Power Electronic Devices Các dạng diode 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, 16 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 8
9. 1/21/2013 Power Electronic Devices Các dạng diode Small signal diode: - Có ứng dụng rộng rãi nhất - Ứng dụng trong các mạch như : switch in rectifiers, limiters, capacitors, mạch tạo tín hiệu 17 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices 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. 18 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 9
10. 1/21/2013 Power Electronic Devices 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 19 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices 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. 20 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 10
11. 1/21/2013 Power Electronic Devices 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 21 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices Typical Diode Ratings 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. 23 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 11
12. 1/21/2013 Power Electronic Devices Typical Diode Ratings 24 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices Snubber Circuits for Diode 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 25 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 12
13. 1/21/2013 Power Electronic Devices Typical Applications of Diodes 26 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices Typical Applications of Diodes 1. Dùng trong mạch chỉnh lưu 27 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 13
14. 1/21/2013 Power Electronic Devices Typical Applications of Diodes 1. Dùng trong mạch chỉnh lưu 28 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices Power Bipolar Transistors (BJT) 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. 31 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 14
15. 1/21/2013 Power Electronic Devices Power Bipolar Transistors (BJT) 32 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices The NPN Transistor 38 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 15
16. 1/21/2013 Power Electronic Devices Nguyên lý làm việc Khi VBE>0 lớp tiếp xúc p-n giữa Base và C Emiter phân cực thuận, nhờ đó điện tử IC dịch chuyển từ Emiter đến Base. Vì n vùng Base có cấu trúc rất mỏng nên chỉ IB có một phần nhỏ điện tử kết hợp với p B holes điện tích dương ở vùng này. UCE Lúc này VCE>0 nên Phần lớn điện tử sẽ s s n e l o o r t h chạy đến vùng phân cực ngược Base – c e n l e Collector và tới cực Collector làm BJT dẫn. E Trạng thái đóng ngắt UCE>0, IB>0 BJT đóng (dẫn) UCE>0 ,IB<=0 BJT ngắt 40 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronic Devices Đặc tính V-A 1. Cut-off Region Here the operating 2.conditions Active region of the – Constanttransistor are current zero inputThe baseactive current region (I isB ), horizontalzero3. Saturation output portion collector of curvescurrentRegion . (IItC shows) and “constant”maximumHere the i collectorCtransistor current, becausevoltagewill be biased (V theCE collector). so: the currentcollectorTherefore does current thenot is changetransistormaximum significantly is in switched the with V"FullyminimumCE for-OFF". a given collector iB. emitterThose voltageportions drop. are usedTherefore only for thesmall signaltransistor transistor is switched operating"Fully-ON". as linear amplifiers 41 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 16
17. 1/21/2013 Power Electronic Devices The Transistor as a Switch 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 = Maximum The input and Base are connected to VCC Base-Emitter voltage VBE > 0.7V Base-Emitter junction is forward biased Base-Collector junction is forward biased Transistor is "fully-ON" (saturation region) Max Collector current flows (IC = Vcc/RL) VCE = 0 (ideal saturation) VOUT = VCE = "0" Transistor operates as a "closed switch" 44 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 17
18. 1/21/2013 Power Electronic Devices The Transistor as a Switch 45 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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 46 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 18
19. 1/21/2013 Power Electronics For Building  THANK YOU FOR YOUR ATTENTION 58 1/21/2013 19