Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p1)

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

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

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.

http://www.mathworks.com/

4. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 – Nguyễn Văn Nhờ

Nhà xuất bản ĐHQG

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

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)

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Các linh kiện bán dẫn cơ bản

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  

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

So sánh công suất các linh kiện bán dẫn

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

The PN Junction

1/21/2013 Metallurgical Junction: Steady State Space Charge Region - Depletion region (vùng hiếm). Na & Nd: The interface where the p- and n-type materials meet. When no external source is connected to the pn junction, diffusion This region includes the net positively and negatively charged regions. Vùng mang điện tích âm và điện tích dương. (khuyếch tán) and drift (tái kết) balance each other out for both the 10 The space charge region does not have any free carriers. PGS.TS Le Minh Phuong holes and electrons

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.

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, current starts to flow across the junction. PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013

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.

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

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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,…

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

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.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

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.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

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

(1) the average current, (2) the rms current, and (3) the peak current.

The datasheet of a diode normally specifies three different current ratings:

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Typical Diode Ratings

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

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Typical Applications of Diodes

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

Typical Applications of Diodes

1. Dùng trong mạch chỉnh lưu

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Typical Applications of Diodes

1. Dùng trong mạch chỉnh lưu

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).

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

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

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

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Power Bipolar Transistors (BJT)

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

The NPN Transistor

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Nguyên lý làm việc

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

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

Đặc tính V-A

1. Cut-off Region Here the operating 2. Active region – conditions of the Constant current transistor are zero The active region is input base current (IB), horizontal portion of 3. Saturation zero output collector curves . It shows current (IC) and Region “constant” iC current, maximum collector Here the transistor because the collector voltage (VCE ). will be biased so: the current does not Therefore the collector current is change significantly with transistor is switched maximum in the VCE for a given iB. "Fully-OFF". minimum collector Those portions are emitter voltage drop. used only for small Therefore the signal transistor transistor is switched operating as linear "Fully-ON". amplifiers 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

The Transistor as a Switch

Base-Emitter voltage VBE < 0.7V Base-Emitter junction is reverse Base-Collector junction is reverse No Collector current flows (IC = 0) VOUT = VCE = VCC = "1” Transistor is "fully-OFF" (Cut-off region)

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.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

The Transistor as a Switch

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 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"

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013