Bài giảng Điện tử công suất - Chương 2 Các linh kiện bán dẫn (P1)

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 Các linh kiện bán dẫn cơ bản Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 8 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   Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 5 9 So sánh công suất các linh kiện bán dẫn Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 10 The PN Junction Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Steady State When no external source is connected to the pn junction, diffusion (khuyếch tán) and drift (tái kết) balance each other out for both the holes and electrons pace Charge Region - Depletion region (vùng hiếm). This region includes the net positively and negatively charged regions. The space charge region does not have any free carriers. M tallurgical Junction: The i terface where the p- and -type materials meet. Na & Nd: Vùng mang điện tích âm và điện tích dương. 1/21/2013 6 11 Diodes Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. 12 Diodes Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. 1/21/2013 7 13 Diodes Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. 14 Đặc tính V-A Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013  VD = Bias Voltage  ID = Current through Diode  Ileakage = Dòng rò  VBR = Breakdown Voltage  Vf = Barrier Potential Voltage 1/21/2013 8 15 Đặc tính động Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 baRR ttt  16 Các dạng diode Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 9 17 Các dạng diode Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Small signal diode: - Có ứng dụng rộng rãi nhất - Ứng dụng trong các mạch như : switch in rectifiers, limiters, capacitors, mạch tạo tín hiệu 18 Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 10 19 Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 20 Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 11 21 Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 23 Typical Diode Ratings Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Voltage Ratings: Repetitive peak inverse voltage (VRRM ): The non-repetitive voltage (VRM): khả năng chịu điện áp ngược Current Ratings The datasheet of a diode normally specifies three different current ratings: (1) the average current, (2) the rms current, and (3) the peak current. 1/21/2013 12 24 Typical Diode Ratings Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 25 Snubber Circuits for Diode Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 13 26 Typical Applications of Diodes Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 27 Typical Applications of Diodes Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1. Dùng trong mạch chỉnh lưu 1/21/2013 14 28 Typical Applications of Diodes Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1. Dùng trong mạch chỉnh lưu 31 Power Bipolar Transistors (BJT) Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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). Mạch công suất nối giữa C-E, mạch điều khiển nối giữa cổng B-E.  Tồn tại hai dạng BJT: n-p-n và p-n-p. BJT là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng dòng điện. 1/21/2013 15 32 Power Bipolar Transistors (BJT) Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 38 The NPN Transistor Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 16 40 Nguyên lý làm việc Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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  BJT đóng (dẫn) UCE>0 ,IB<=0  BJT ngắt n n pB C E UCE e le c tr o n s holes h o le s IC IB 41 Đặc tính V-A Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 2. Active region – Constant current The active region is horizontal portion of curves . It shows “constant” iC current, because the collector current does not change significantly with VCE for a given iB. Those portions are used only for small signal transistor operating as linear amplifiers 1. Cut-off Region Here the operating conditions of the transistor are zero input base current (IB), zero output collector c rr nt (IC) and maximum collector volt ge (VCE ). Theref re the transistor is switched "Fully-OFF". 3. Sa urati n Region Here the transistor will b biased so: the collector current is maximum in the minimum collector emitter voltage drop. Therefore the transistor is switched "Fully-ON". 1/21/2013 17 43 The Transistor as a Switch Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. 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) 44 The Transistor as a Switch Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 18 45 The Transistor as a Switch Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 46 Dynamic Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 1/21/2013 19 58 Power Electronics For Building THANK YOU FOR YOUR ATTENTION  1/21/2013