Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p2)

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

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

1. Depletion Type - dạng này cần điện áp Gate-Source,(VGS) để ngắt “OFF”. Trong chế độ depletion, MOSFET như là một khóa "Normally Closed – thường đóng“.

Tồn tại 2 dạng MOSFET

3. Trong ĐTCS thường dụng dạng Enhancement hơn.

2. Enhancement Type - dạng này cần điện áp Gate-Source,(VGS) để đóng “ON”. Trong chế độ enhancement, MOSFET như là một khóa "Normally Opened – thường mở“.

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 về lớp p cổng Gate tạo điều kiện hình thành một kênh nối gần cổng nhất.

Lúc này VDS>0 nênđiện tử sẽ 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<0, MOSFET “OFF”

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

MOSFET Regions of Operation

Đặc tính V-I của MOSFET được chia làm ba vùng 1. Vùng Triode (Linear region) VGS> VTh và VDS VTh và VDS >VGS −VTh 3. Vùng Cut-off (Turn off) VGS< VTh

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

The MOSFET as a Switch

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

The MOSFET as a Switch

1. Cut-off Region Here the operating conditions of VGS> VTh và VDS >VGS −VTh ID =0 and VDS = VDD. Therefore the MOSFET is switched "Fully- OFF". Then we can define the "cut-off region" or "OFF mode" of a MOSFET switch as being, gate voltage, VGS < VTH and ID = 0.

No Drain current flows ( ID = 0 ) VOUT = VDS = VDD = "1" MOSFET operates as an "open switch"

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

The MOSFET as a Switch

1. Triode Region Here the operating conditions of ( VIN =1), ID =max and VDS = min Therefore the MOSFET is switched "Fully-ON".

The input and Gate are connected to VDD Gate-source voltage is much greater than threshold voltage VGS > 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" PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

MOSFET Switching Characteristics

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

1/21/2013

MOSFET is in the off-state for t

Power Electronic Devices

VGS t > t0; (c) VGS > VTh, iD VTh, iD =I0 for t2 ≤t< t3; VGS > VTh, iD = Io for t3 ≤ t < t4.

MOSFET Switching Characteristics

As long as VGS

The gate current continues to At t = t3, the Vds reaches its decrease exponentially At t = t2, iD minimum value determined by its reaches its maximum value of I0, on resistance, vDS(ON ) i.e. vDS(ON) is given by,

For t>t1 with VGS >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

Turn-off switching waveforms.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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 becomes 20 zero

1/21/2013

Power Electronic Devices

Datasheet of the MOSFET

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

Đặc điểm của MOSFET

MOSFET là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng điện áp VGS, và tín hiệu này luôn phải duy trì khi muốn MOSFET ở trạng thái đóng

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Đặc điểm của MOSFET

MOSFET là linh kiện bán dẫn có tần số đóng ngắt rất cao đến 1MHz.

Khả năng chịu điện áp và dòng điện không lớn (500 V, 100A)

MOSFET ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất nhỏ và tần số cao.

Điện trở thuận trên MOSFET khá lớn đến 300m

Độ sụt áp trên MOSFET cao hơn so với BJT

A datasheet of MOSFET

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

Đặc điểm của MOSFET

http://www.fairchildsemi.com

http://www.irf.com/indexnsw.html

http://www.semikron.com

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Insulated Gate Bipolar Transistor

The insulated gate bipolar transistor (IGBT) - được ứng dụng vào đầu những năm 1980, đang trở thành một thiết bị thành công bởi nhờ các đặc tính vượt trội của nó.

Power BJTs có đặc tính tĩnh tốt (on-state characteristics) nhưng thời gian chuyển mạch lớn và điều khiển bằng dòng điện với hệ số khuyếch đại nhỏ.

Nhiều ứng dụng mới sẽ không khả thi về kinh tế nếu không sử dụng IGBTs. Trước khi xuất hiện IGBT, BJT và MOSFET được sử dụng rộng rãi các ứng dụng với công suất trung bình và tần số cao.

MOSFET được điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển nhỏ (mạch điều khiển đơn giản), tần số đóng ngắt cao, nhưng điện áp định mức thấp.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

Insulated Gate Bipolar Transistor

IGBT kết hợp những ưu điểm của BJT và MOSFET:

-Đặc tính tĩnh vượt trội (on-state characteristics)

-Tần số đóng ngắt cao nhưng nhỏ hơn MOSFET

-Hoạt động với độ tin cậy cao

- Thay thế MOSFET trong các ứng dụng điện áp cao và tổn hao nhỏ.

-Khả năng mang điện áp, dòng điện và tần số đóng ngắt cao hơn so với BJT

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronic Devices

Insulated Gate Bipolar Transistor

IGBT là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng điện áp.

Cấu tạo gồm lớp tiếp xúc p-n-p-n, và 3 điện (C), cực Collector Emitter (E), Gate (G). Mạch công suất nối giữa C-E, mạch điều khiển nối giữa cổng G- E

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong