Bài giảng Điện tử công suất - Chương 2 Các linh kiện bán dẫn (P2)

1/21/2013 1 1 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 2 Power Electronics ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 1/21/2013 2 3 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 Contents – Nội dung PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 4 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 References PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 3 5 Power Electronics Chương 2 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 6 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) Contents – Nội dung PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 4 7 The Power MOSFET Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. 8 The Power MOSFET Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 5 9 Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Tồn tại 2 dạng 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“. 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“. 3. Trong ĐTCS thường dụng dạng Enhancement hơn. The Power MOSFET 10 MOSFET Structure Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 6 13 MOSFET Regions of Operation Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Đặc tính V-I của MOSFET được chia làm ba vùng 1. Vùng Triode (Linear region) VGS> VTh và VDS <VGS −VTh 2. Vùng Saturation (Active region) VGS> VTh và VDS >VGS −VTh 3. Vùng Cut-off (Turn off) VGS< VTh 14 The MOSFET as a Switch Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 7 15 The MOSFET as a Switch Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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" 16 The MOSFET as a Switch Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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" 1/21/2013 8 17 MOSFET Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 18 MOSFET Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 (a) Simplified equivalent circuit used to study turn-on and turn-off characteristics of the MOSFET and (b) simplified equivalent circuit. 1/21/2013 9 19 MOSFET Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 MOSFET is in the off-state for t<t0, VGG =0, VDS =VDD, iG =0, iD =0; MOSFET in the off-state VGS t > t0; (c) VGS > VTh, iD <I0 for t1 <t<t2; VGS > VTh, iD =I0 for t2 ≤t< t3; VGS > VTh, iD = Io for t3 ≤ t < t4. 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 At t = t3, the Vds reaches its minimum value determined by its on resistance, vDS(ON ) i.e. vDS(ON) is given by, As long as VGS <VTh , iD =0; The gate current continues to decrease exponentially At t = t2, iD reaches its maximum value of I0, 20 Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Turn-off switching waveforms. 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 For t>t3, the gate voltage continues to decrease exponentially to zero, at which the gate current becomes zero 1/21/2013 10 21 Datasheet of the MOSFET Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 22 Đặc điểm của MOSFET Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 11 23 Đặc điểm của MOSFET Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. Độ sụt áp trên MOSFET cao hơn so với BJT Điện trở thuận trên MOSFET khá lớn đến 300m A datasheet of MOSFET A datasheet of MOSFET 24 Đặc điểm của MOSFET Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013    1/21/2013 12 25 Insulated Gate Bipolar Transistor Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. 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. 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. 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. 26 Insulated Gate Bipolar Transistor Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 13 27 Insulated Gate Bipolar Transistor Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 cực Collector (C), Emitter (E), Gate (G). Mạch công suất nối giữa C-E, mạch điều khiển nối giữa cổng G- E 28 StaticCharacteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Đặc tuyến VA tương tự như MOSFET (thay đổi ký hiệu các cực , D  C, S E) 1/21/2013 14 29 Dynamic Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Tần số đóng ngắt cao hơn so với BJT nhưng thấp hơn MOSFET, tON IGBT  tON MOSFET , tOFF IGBT > tOFF MOSFET 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 30 Dynamic Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 15 34 Đặc điểm của IGBT Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 IGBT là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng điện áp VGE, và tín hiệu này luôn phải duy trì khi muốn IGBT ở trạng thái đóng 35 Đặc điểm của IGBT Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT đã giúp nó thay thế dần GTO trong ứng dụng công suất lớn Sụt áp khi dẫn điện thấp Khả năng chịu tải đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6.3kV) và dòng điện vài ngàn Amper (2.4kA) Tần số đóng ngắt cao đến 100kHz 1/21/2013 16 36 Datasheet of IGBT Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 37 Power Electronics For Building THANK YOU FOR YOUR ATTENTION  1/21/2013