›
›

Bài giảng Linh kiện điện tử công suất - Chương 1: Mở đầu

ppt 68 trang phuongnguyen 30
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Linh kiện điện tử công suất - Chương 1: Mở đầu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_linh_kien_dien_tu_cong_suat_chuong_1_mo_dau.ppt

Nội dung text: Bài giảng Linh kiện điện tử công suất - Chương 1: Mở đầu

  1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU o LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.Đặc tính của công tắc bán dẫn 2.Diode công suất 3.Transistor công suất 4.Họ Thyristor 5.Tổng kết 1
  2. LINH KUỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ▪ Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau: • Tốc độ giao hoán nhanh. • Giảm thiểu công suất tiêu tán. • Cho phép điều khiển các tải nặng (dòng tải lớn hay điện trở tải nhỏ). • Có gắn các bộ vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC. • Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode,Transistor, Mosfet, SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT 2
  3. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN ▪ Do tính chất của chất bán dẫn nên khi chịu tác động của xung kích, dạng sóng ngõ ra có dạng như ở hình ▪ Đặc tuyến giao hoán được biểu diễn từ trạng thái tắt (off) sang trạng thái dẫn (on) và từ trạng thái dẫn (on) sang trạng thái ngưng (off) 3
  4. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) v,i Hiệu điện thế V t Dòng điện I toff tswon 4
  5. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) v,i Hiệu điện thế V t Dòng điện I toff tswon 5
  6. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) v,i Hiệu điện thế V t Dòng điện I toff tswon ton 6
  7. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) v,i Hiệu điện thế V t Dòng điện I toff tswon ton tswoff 7
  8. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) v,i Dòng điện I Chọn t=0 t Hiệu điện thế V toff tswon ton tswoff t t v =V 1− i = I tswon tswon 8
  9. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) v,i p p poff=0 pswon on=0 swoff Dòng điện I Chọn t=0 t Hiệu điện thế V toff tswon ton tswoff t t v =V 1− i = I tswon tswon 9
  10. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) v,i Công suất p Dòng điện I Chọn t=0 t Hiệu điện thế V toff tswon ton tswoff toff tswon t t t t v =V 1− i = I p = vi =VI 1− t t swon swon tswon tswon 10
  11. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN ▪ Năng lượng thất thoát trong thời gian tswon 1 W = pdt = VIt khởi dẫn bằng: swon swon 0 6 ▪ Năng lượng thất thoát trong thời gian t swoff 1 W = pdt = VIt khởi ngưng: swoff swoff 0 6 ▪ Năng lượng thất thoát tổng cộng trong 1 W = W +W = VI(t + t ) chu kỳ giao hoán bằng: sw swon swoff 6 swon swoff 11
  12. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) v,i Hiệu điện thế V Dòng điện Ir t toff tswon ton 12
  13. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) v,i Hiệu điện thế V Dòng điện Ir t toff tswon ton 13
  14. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) v,i Dòng điện I Hiệu điện thế Vf t toff tswon ton 14
  15. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) v,i Dòng điện I Hiệu điện thế Vf t toff tswon ton tswoff 15
  16. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) v,i Dòng điện I Chọn t=0 Hiệu điện thế Vf t toff tswon ton tswoff t t t t i = I ;v = −(V −V f ) +V = V 1− +V f tswon tswon tswon tswon 16
  17. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf ≠0) p v,i swon pswoff p ≠0 poff ≠0 on Dòng điện I Chọn t=0 Hiệu điện thế Vf t toff tswon ton tswoff t t t t i = I ;v = −(V −V f ) +V = V 1− +V f tswon tswon tswon tswon 17
  18. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN o Trường hợp công tắc không lý tưởng (Vf ≠0) v,i Công suất p Dòng điện I Chọn t=0 Hiệu điện thế Vf Vf t toff tswon ton tswoff toff tswon t t t t i = I ;v = −(V −V f ) +V = V 1− +V f tswon tswon tswon tswon t t 2 p = vi = VI − (V −V f )I 2 tswon tswon 18
  19. 1. ĐẶC TÍNH CÔNG TẮC BÁN DẪN ▪ Năng lượng thất thoát trong thời gian t swon 1 1 1 1 W = pdt = VIt + V It = VI +V I t khởi dẫn bằng: swon swon f swon f swon 0 6 3 3 2 ▪ Năng lượng thất thoát trong thời gian t swoff 1 1 1 1 W = pdt = VIt + V It = VI +V I t khởi ngưng: swoff swoff f swoff f swoff 0 6 3 3 2 ▪ Năng lượng thất thoát tổng cộng trong 1 1 Wsw = Wswon +Wswoff = VI +V f I (tswon + tswoff ) chu kỳ giao hoán bằng: 3 2 19
  20. 2. DIODE CÔNG SUẤT ▪ Diode công suất hoạt động như diode công suất nhỏ (nối p-n) nhưng với dòng điện lớn từ vài chục đến vài trăm Ampe. J A p n K 20
  21. 2. DIODE CÔNG SUẤT o Phân cực Diode • Phân cực thuận • Phân cực nghịch p p n n E E tx tx E Engoµi ngoµi + + 21
  22. 2. DIODE CÔNG SUẤT o Thời gian phục hồi: Khi diode đang dẫn thình lình chuyển sang trạng thái ngưng, diode không thể ngưng ngay mà có thời gian chuyển tiếp do sự hồi phục của các hạt tải trong n ối p-n làm dòng và thế có dạng như hình 22
  23. 2. DIODE CÔNG SUẤT o Đồ thị thời gian chuyển tiếp của Diode Q = I t / 2 rr rr rr d i / d t d i / d t F 0 . 2 5 I I F R r r t I rr t t t 3 4 5 V t V o n rr FP t V V t r r R 2 t t 5 1 S = t 4 23
  24. 2. DIODE CÔNG SUẤT o Công suất thất thoát của diode công suất PT = PON + POFF + Psw t P = V I ON ON F F T t P = V I OFF OFF R R T 1 P = P + P = V I (t + t )f sw swon swoff 6 F (max ) F (max ) swon swoff 24
  25. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o BJT (Bipolar Junction Transistor) B E B E p p p n n n n n p p p- n- p n C C 25
  26. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Đặc tuyến của BJT 26
  27. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Trạng thái đóng ngắt của transistor công suất 27
  28. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Công suất thất thoát của BJT • Khi transistor dẫn bão hòa, ta có: t t P = (V I +V I ) ON V I ON ON CEbh CM BEbh B T CEbh CM T • Khi transistor ngưng dẫn và dòng rỉ Ir t P = V I OFF rất bé, ta có: OFF CC T 1 P = P + P = V I (t + t )f sw swon swoff 6 F (max ) F (max ) swon swoff 28
  29. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 29
  30. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o MOSFET: hình thành hai dòng song song như sơ đồ cấu trúc tương đương 30
  31. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Đặc tuyến của MOSFET 31
  32. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Hoạt động của MOSFET Nguồn VG1 32
  33. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Hoạt động của MOSFET Nguồn VG2 33
  34. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Hoạt động của MOSFET Nguồn VG3 34
  35. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Công suất thất thoát của MOSFET • Khi MOSFET dẫn bão hòa, ta có: t P = I 2 R ON ON D DS(on) T • Khi MOSFET ngưng dẫn và dòng rỉ Ir t P = V I OFF rất bé, ta có: OFF DS max DSS T 1 P = P + P = V I (t + t )f sw swon swoff 6 F (max ) F (max ) swon swoff 35
  36. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oLà linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn của Transistor với điện thế điều khiển lớn ở cực cổng của MOSFET: G Cách điện E E E n n n n S p p npn G n- D pnp p+ C C 36
  37. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Mạch tương đương IGBT 37
  38. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Đặc tuyến của IGBT 38
  39. 3. TRANSISTOR CÔNG SUẤT o Công trên tải 2 VL • Công suất trung bình cấp cho tải: PL = RL V t V = cc ON Với thời gian dẫn tON, ta có: L T V 2 t s ON PL = RL T o Công suất tiêu tán tổng cộng giao hoán: Psw = Pswon + Pswoff =1 6(VCE max .Icmax )(tswon + tswoff )fsw 39
  40. 4. HỌ THYRISTOR Gồm các linh kiện công suất có cấu trúc gần với Thyristor (SCR gọi theo phòng thí nghiệm Bell từ năm 1956) và các linh kiện kích cho các linh kiện công suất theo bảng tóm tắt sau: Họ Thyristor Mạch kích UJT Đơn hướng Lưỡng hướng (4 lớp) (5 lớp) Đơn hướng Lưỡng hướng (4 lớp) SCR SCS LASCR TRIAC (5 lớp) (3 lớp) 0,8-1000A 0,2A 0,7A 0,5-80A SUS SBS Diac 100-1000V 100V 100-600V 100-600V 0,2A Diodee 0,2A 0,2A 6-10V Shockley 6-10V 6-10V 40
  41. 4. HỌ THYRISTOR o SCR (Silicon Controlled Rectifier) J 1 J2 J3 A K p1 n1 p2 n2 41
  42. 4. HỌ THYRISTOR i J1 J2 J AK 3 o SCR (không p A 1 n1 p2 n2 K thông dụng) i loại kích dòng AG G đi ra cực G o SCR (thông iAK J1 J2 J3 + _ A p n p n dụng) loại kích 1 1 2 2 K dòng đi vào i G GK + cực G 42
  43. 4. HỌ THYRISTOR o Có thể xem SCR như gồm 2 transistor npn và pnp ghép “ khoá chặt” như ở hình n1 n2 K T2 T I + (I + I ) 1 I = 2 G CBO1 CBO2 p p A 1 2 1− ( 1 + 2 ) A G 43
  44. 4. HỌ THYRISTOR o Đặc tuyến của SCR 44
  45. 4. HỌ THYRISTOR Để làm SCR từ ngưng dẫn sang dẫn: • Tăng điện thế A-K, làm tăng dòng rỉ ICBO, làm xảy ra hiện tượng huỷ thác . • Tăng dòng cửa IG để các transistor nhanh chóng đi vào dẫn bảo hoà • Tăng nhiệt độ t0 mối nối làm tăng dòng trong T1, T2 • Tăng tốc độ tăng thế dV/dt tạo dòng nạp cho điện dung nối pn • Sử dụng năng lượng quang học như ánh sáng để làm dẫn các SCR quang (LASCR – Light actived SCR) 45
  46. 4. HỌ THYRISTOR Để làm SCR từ dẫn sang ngưng dẫn: • Cắt bỏ nguồn cấp điện VAK. • Thắng động lực: dùng một bộ phận có điện trở thật nhỏ mắc song song với SCR để tạo ra dòng IA < IH • Tạo VAK < 0 (dòng xoay chiều, xung giao hoán ) 46
  47. 4. HỌ THYRISTOR o TRIAC (Triode Alternative Current) MT MT2 MT2 2 MT N MT2 P 2 N MT 1 P1 2 N P N G G G 2 P G G N G P MT MT N 2 MT1 1 1 3 N4 N P MT MT MT1 1 1 47
  48. 4. HỌ THYRISTOR o Có thể xem Triac như gồm 2 SCR ghép đối song nhưng chỉ có 1 cổng kích chung. T1 T U 1 Z Z U1 T2 MT 1 MT2 MT2 MT1 G G 48
  49. 4. HỌ THYRISTOR o Đặc tuyến của Triac 49
  50. 4. HỌ THYRISTOR o Bốn kiểu hoạt động của Triac: Kiểu I+ Kiểu I- Kiểu II+ Kiểu II- VMT1MT2 > 0 VMT1MT2 > 0 VMT1MT2 0 IG 0 IG MT2 MT1 -> MT2 MT2 -> MT1 MT2 -> MT1 50
  51. 4. HỌ THYRISTOR o Các cách kích Triac: Vì Triac dẫn trong cả 2 chiều nên cách kích bằng điện DC ít thông dụng hơn cách kích bằng điện AC và bằng xung. Mạch tạo xung được tạo nên từ UJT, IC 555, mạch số, Flip flop , nhưng đặc biệt vẫn là mạch dùng DIAC. 51
  52. 4. HỌ THYRISTOR o MCT (Mosfet Controlled Thyristor) có cấu tạo kết hợp công nghệ của thyristor với ưu điểm tổn hao dẫn điện thấp và khả năng chịu áp cao của MOSFET với khả năng đóng ngắt nhanh. 52
  53. 4. HỌ THYRISTOR o MCT là linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn của Transistor với điện thế điều khiển lớn ở cực cổng của Mosfet. Có 2 loại MCT: N-MCT và P-MCT, do cách ghép của 2 Mosfet làm cổng như hình 53
  54. 4. HỌ THYRISTOR o Đặc tính đóng ngắt của MCT: có đặc tuyến như SCR cổ điển vì không dẫn ở điện thế nghịch hình 54
  55. 4. HỌ THYRISTOR o Khả năng chịu tải của MCT: MCT được áp dụng cho các trường hợp yêu cầu điện trở và độ tự cảm nhỏ với khả năng chịu được dòng điện lớn và di/dt cao. MCT được sử dụng làm thiết bị phóng nạp điện cho máy bay, xe ô tô, tàu thủy, nguồn cung cấp tivi. 55
  56. 4. HỌ THYRISTOR o GTO (Gate turn – off Thyristor) Có cấu tạo phức tạp hơn SCR cổ điển để có thể tắt SCR đang dẫn bằng cách cho xung âm vào cực G (mà trước đó đã làm SCR dẫn bằng cách xung dương vào G) hình 56
  57. 4. HỌ THYRISTOR GTO được kích đóng bằng xung dòng điện tương tự như khi kích đóng SCR thông thường. Dòng điện kích đóng được tăng đến giá trị IGM và sau đó giảm xuống đến giá trị IG. 57
  58. 4. HỌ THYRISTOR o Kích mở GTO Điểm khác biệt so với yêu cầu xung kích đóng SCR là dòng kích iG phải tiếp tục duy trì trong suốt thời gian GTO dẫn điện. 58
  59. 4. HỌ THYRISTOR o Kích đóng GTO Để kích ngắt GTO, xung dòng điện âm lớn được đưa vào cổng G – cathode với độ dốc (diGQ/dt) lớn hơn giá trị qui định của linh kiện, nó đẩy các hạt mang điện khỏi cathode 59
  60. 4. HỌ THYRISTOR Quá trình ngắt GTO đòi hỏi sử dụng xung dòng kích đủ rộng. Điều này dẫn đến thời gian ngắt dài, khả năng di/dt và dv/dt của GTO thấp. Vì thế, cần phải giới hạn các trị số hoạt động không vượt quá giá trị an toàn trong quá trình ngắt GTO 60
  61. 4. HỌ THYRISTOR o IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) • Sự cải tiến công nghệ chế tạo GTO thyristor đã dẫn đến phát minh công nghệ IGCT. • GCT (Gate Commutated Thyristor) là một dạng phát triển của GTO với khả năng kéo xung dòng điện lớn bằng dòng định mức dẫn qua cathode về mạch cổng trong GCT để đảm bảo ngắt nhanh dòng điện. Cấu trúc của GCT và mạch tương đương của nó giống như của GTO. • IGCT là linh kiện gồm GCT và có thêm một số phần tử hỗ trợ, bao gồm cả board mạch điều khiển và có thể gồm cả diode ngược. 61
  62. 4. HỌ THYRISTOR IGCT có thể tích hợp diode ngược bằng mối nối n+n-p được vẽ trên hình 1.33. Diode ngược cần thiết trong cấu tạo của các bộ nghịch lưu áp. A G G KK 62
  63. 4. HỌ THYRISTOR o Đặc tuyến của IGCT Quá trình ngắt dòng điện của IGCT bởi tác dụng xung dòng kích cổng được vẽ minh họa trên hình. Để có thể so sánh với quá trình ngắt dòng của GTO, đồ thị của dòng cổng được vẽ cho hai trường hợp. 63
  64. 5. TỔNG KẾT ▪ Khả năng hoạt động của các linh kiện bán dẫn công suất được so sánh theo hai khía cạnh công suất mang tải và tốc độ đóng ngắt được minh họa ở hình dựa theo số liệu tra cứu năm 1998-1999 của hãng EUPEC. ▪ Linh kiện GTO công suất lớn được sản xuất với khả năng chịu được điện áp/dòng điện từ 2,5- 6kV/1-6kA. GTO còn được chế tạo chứa diode ngược với tổn hao thấp, khả năng chịu điện áp/dòng điện của nó đạt đến 4,5kV/3kA. 7/13/2021 64
  65. 5. TỔNG KẾT oThống kê số liệu tra cứu năm 1998-1999 của hãng EUPEC. 65
  66. 5. TỔNG KẾT ▪ Linh kiện IGCT đươc chế tạo gần đây có khả năng chịu được điện áp/ dòng điện 6kV/6kA với khả năng chuyển mạch gần như toàn bộ dòng điện sang mạch cổng khi kích ngắt. ▪ Các diode cho nhu cầu thông thường đươc chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay đổi từ 500V đến 4kV và dòng điện từ 60A đến 3,5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh khả năng dòng đạt đến 800-1.700A và điện áp 2.800-6.000V. 7/13/2021 66
  67. 5. TỔNG KẾT ▪ Các thyristor cho nhu cầu thông thường đươc chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay đổi từ 400V đến 12kV và dòng điện từ 1000A đến 5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh, khả năng dòng đạt đến 800-1.500A và điện áp 1.200- 2.500V. ▪ Các linh kiện IGBT dạng modul được chế tạo với khả năng chịu được điện áp/ dòng điện 1,7- 3,3kV/400-1.200A. 7/13/2021 67
  68. KẾT THÚC CHƯƠNG I LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 7/13/2021 68