ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Tài liệu tham khảo
• Điện tử công suất – Lê Văn Doanh • Giáo trình điện tử công suất – Nguyễn Văn Nhờ • Điện tử công suất – Nguyễn Bính
dqvinh@dng.vnn.vn 0903 586 586
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU – CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1.1 Khái niệm chung
Điện tử Công suất lớn
Các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong các mạch động lực – công suất lớn
Sự khác nhau giữa các linh kiện điện tử ứng dụng (điện tử điều khiển) và điện tử công suất
• Công suất: nhỏ – lớn • Chức năng: điều khiển – đóng cắt dòng điện công suất lớn
Động lực Điều khiển
Các linh kiện điện tử công suất chỉ làm chức năng đóng cắt dòng điện – các van IC
IB
• Thời điểm • Công suất
Transistor điều khiển: Khuyếch đại
IC
R
UCE = UCE1
B
iC
U R
a
b
U
C
iB
UCE = U - RIC
IB2 > IB1
A
uCE
IB1 > 0
B
A
E
IB = 0
iE
uBE
U
UCE1
IB2
UBE < 0
IB
UCE
Transistor công suất: đóng cắt dòng điện
Đặc tính Volt – Ampe của van công suất lý tưởng
i
b i
c a điều khiển
u
d
u
Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất
• Các bộ biến đổi công suất • Các bộ khóa điện tử công suất lớn
Chỉnh lưu
• BBĐ điện áp xoay chiều (BĐAX) • Biến tần BBĐ điện áp một chiều (BĐXA)
Nghịch lưu
1. 2. Các linh kiện điện tử công suất
1.2.1 Chất bán dẫn - Lớp tiếp giáp P - N Chất bán dẫn:
Ở nhiệt độ bình thường có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện
Loại P: phần tử mang điện là lỗ trống – mang điện tích dương Loại N: phần tử mang điện là các electron – mang điện tích âm
J
+ + + + - - - -
P N + - - - - + + +
- - - - + + + +
+ + + - - -
+ - - - + + P N
Miền bão hòa - Cách điện
- - - + + +
Phân cực ngược
N P
+ + + - - -
+
-
+ - - - + +
Miền bão hòa - Cách điện
- - - + + +
N P
+ -
+
-
- +
Miền bão hòa - Cách điện
- +
Phân cực thuận
N P
+
+ + + - - -
-
+ - - - + +
Miền bão hòa - Cách điện
+
- - - + + +
-
i
1.2.2 Diode
uF
iF
Cấu tạo, hoạt động
A
K
NP
Katode K
Anode A
iR
Hướng thuận
uR
Hướng ngược
R: reverse – ngược F: forward – thuận
Đặc tính V – A
Nhánh thuận – mở
Diode lý tưởng
Hai trạng thái: mở – đóng
IF [A]
i
Nhánh ngược – đóng
100
Diode thực tế
Nhánh thuận – mở
50
UR [V]
UF [V]
U[BR]
1
1,5
800
400
0
Nhánh ngược – đóng
o
u
T
20
R
o
=
r R
T
F
30
= 160 C j = 30 C j
dU dI
R
r = F
URRM
dU dI
F
IR [mA]
URSM
UTO: điện áp rơi trên diode
điện trở thuận trong diode
điện trở ngược trong diode UBR: điện áp đánh thủng
Đặc tính động của diode
I
L
S
UK
• UK: Điện áp chuyển mạch • trr: Thời gian phục hồi khả năng đóng • irr: Dòng điện chuyển mạch – phục hồi
+
-
rrt
: điện tích chuyển mạch
dt
Q r
i rr
S g n ó Ð
∫=
0
iF
iF
trr
I = F i
0,1 irrM
O
t
irr
M
iR
Quá áp trong
r r i
iR
irr
Qr
uF
t
O
Uk
uR = Uk
uRM
uR
Bảo vệ chống quá áp trong
V
Mở
Đóng
R
C
t
O
iRC
uR
L
V
irr
iRC t
O
iL
Uk
irr
Uk
+
-
i
i
i
=
+
L
rr
RC
u
U
L
=
−
R
k
di L dt
Các thông số chính của diode
IF [A]
Điện áp:
100
Nhánh thuận – mở
50
UR [V]
UF [V]
U[BR]
1
1,5
800
400
0
• Giá trị điện áp đánh thủng UBR • Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại: URRM • Giá trị cực đại điện áp ngược không lập lại: URSM
Dòng điện - nhiệt độ làm việc
Nhánh ngược – đóng
o
T
20
o
T
30
= 160 C j = 30 C j
URRM
IR [mA]
URSM
• Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận: IF(AV)M • Giá trị cực đại dòng điện thuận không lập lại: IFSM
Diode thực tế: IDB30E60 – Infineon Technologies
1.2.3 Transistor lưỡng cực (BT) (Bipolar Transistor)
Cấu tạo, hoạt động
C
C
P
N
B
N
B
P
P
N
E
E
R
R
iC
iC
U
U
C
C
iB
iB
uEC
uCE
B
B
E
E
iE
iE
uEB
uBE
Đặc tính Volt – Ampe
Miền mở bão hòa
IC
UCE = UCE1
Mở
B
U R
a
b
UCE = U - RIC
IB2 > IB1
A
• Đặc tính ngoài IC = f(UCE) • Đặc tính điều khiển IC = f(IB)
IB1 > 0
A
IB = 0
Đóng
U
UCE1
IB2
UBE < 0
IB
UCE
Miền đóng bão hòa
a)
ICE
UBR(CE0)
IB = 0
UBR(CER)
UBR(CES)
UBR(CEU)
ICE0 ICER ICES ICEU
O
UCES
UCE0
UCER
UCEU
b)
UCE c)
RB
RB
ICEU
-
+
+
-IB
UBE
-IB
UBE
+
-
-
• 0 … Hở mạch B – E (IB = 0) • R … Mạch B – E theo hình b) • S … Ngắn mạch B – E (RB →0) • U … Mạch B – E theo hình c)
Quá trình quá độ của transistor
iB
IB
0.9IB
0.1IB
O
t
tr
td
ts
tf
iC
uCE
0.1IC
0.1IC
0.9IC
IC
O
ton
toff
Mạch trợ giúp đóng mở
Các thông số chính
Điện áp:
• Giá trị cực đại điện áp colector – emitor UCE0M khi IB = 0 • Giá trị cực đại điện áp emitor – bazơ UEB0M khi IC = 0
Dòng điện: Giá trị cực đại của các dòng điện IC, IB, IE
(Điện tử công suất – Nguyễn Bính)
Transistor thực tế - MJW3281A (NPN) – ON Semiconductor
1.2.4 Transistor trường MOSFET
(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)
D
D
N
N
iD
P
P
N
N
S
G
OXID
S
G
OXID
uGS
D
D
iD
G
G
uDS
uGS
S
S
Đặc tính động
D
R
CGD
iD
+
RG
G
on
CDS
+
-
uGS
uDS
S
CGS
U
off
-
UG
GS
0.9UG
UG
UGS(th)
0.1UG
t
uDS
0.9U
iD
0.9U
U
0.1U
tr
tf
td(on)
td(off)
toff
ton
MOSFET thực tế - 19MT050XF – International Rectifier
1.2.5 Transistor lưỡng cực cổng cách ly - IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
C
C
G
G
E
E
iC
Đặc tính động
R
C
RG
on
U
G
E
off
uCE
UG
uGE
0.9UG
UG
uGE
UGE(th)
0.1UCM
t
uCE
iC
U
0.9ICM
ICT
0.1ICM
ICM
0.1ICM
tr
tf
td(on)
td(off)
ton
toff
IGBT thực tế 1MB-30-060 – Fuji Electric
1.2.6 Thyristor
Cấu tạo – Hoạt động
A
A
A
i
i1
P
u R
G
G
i2
N P
N P
J1 J2 J3
P N P N
N
G iG
uAK
K
K
K
uR
Trạng thái: • Mở • Đóng • Khóa
iR
Hướng ngược
iG
Ký hiệu
uG
A
K
• T: Thuận • D: Khóa • R: Ngược
Hướng thuận
iT iD uT uD
Điều kiện để mở Thyristor
• UAK > 0 • Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển.
Điều kiện để đóng Thyristor
Đặt điện áp ngược lên A – K
Đặc tính Volt - Ampe
Nhánh thuận – mở
Thyristor lý tưởng
Ba trạng thái: đóng – mở – khóa
Nhánh ngược – đóng
i
Thyristor thực tế
[A]
10 2
IT
10
Nhánh thuận – mở
ID
1
UBR: điện áp ngược đánh thủng UBO: điện áp tự mở của thyristor UTO: điện áp rơi trên Thyristor
Nhánh khóa – khóa
IL
10 -1
IN
IG = 0
10 -2
[V]
UR
IH: Dòng duy trì (holding) IL: Latching
IG = 25 mA
10 -3
2
3
10
10
10
1
U[BR]
2
u Nhánh khóa – khóa
Các thông số chính
3
1
10
10
10
U[BR]
IG = 0
-3
10
[V]
UT
UD
U[TD]
-2
10
IG = 25 mA
-1
Tương tự như diode. URRM = UDRM
[A]
IR
10
Nhánh ngược – đóng
Đặc tính điều khiển của thyristor:
Ψ
iG
40
iG
IG
2π
ωt
R
UG[V] 30
uG
U
(PGM)Ψ=π/12
20
(PGM)Ψ=π/6
UG=U-RIG
iG
-400C
UGT
O
1
2
IG[A]
IGT
0
t
Đặc tính động
Tổn thất công suất khi mở thyristor
Mở thyristor
Khóa thyristor
A
uD
+
P
J1
N
t
O
G
J2
C uD
P
J3
iC
N
iC
-
iC
t
O
K
Đóng thyristor
toff
• Bảo vệ quá áp trong • Thời gian đóng thyristor – Góc an toàn
Thyristor thực tế - 22RIA SERIES – International Rectifier
1.2.7 GTO Gate Turn Off Thyristor
A
A
P
J1
iFG
G
N P
J2 J3
N
iRG
G
ur (uD)
uFG
ir (iD)
iRG
K
uRG
K
Đặc tính động
Mở GTO
tgd
tgr
uD
ir
UD
0.9UD
0.1UD
t
O
tgt
IFG÷10Α
iFG
0.2IFG
O
Đóng GTO
tgs
iT
tgf
uD
IT=I
Mạch trợ giúp
0.9IT
ITQ
UDP
iD
O
t
uD
I
tgq
ttq
L
iT
iRG
O
iRG
uRG
IRG
uRG
iRG
uRG
QGQ
GTO thực tế - FG3000FX-90DA – Misubishi Electric
1.2.8 Triac
Hướng ngược
Điện áp thuận Điện áp khóa Dòng điện thuận Dòng điện khóa
Dòng điện và điện áp cực điều khiển
Hướng thuận
Dòng điện thuận Dòng điện khóa
Điện áp thuận Điện áp khóa
Đặc tính Volt - Ampe
Nhánh mở
UG > 0; IG > 0
Nhánh khóa
UD > 0
UG < 0; IG < 0
UG > 0; IG > 0
UDR > 0
UG < 0; IG < 0
Nhánh khóa
Nhánh mở
