Bài giảng Điện tử công suất - Chương 2 Các linh kiện bán dẫn (P3)

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 SILICON CONTROLLED RECTIFIER -SCR Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 SCR là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng bằng dòng điện. Cấu tạo gồm lớp tiếp xúc p-n- p-n, và 3 điện cực Anode (A), Cathode (K), Gate (G). Mạch công suất nối giữa A-K, Mạch điều khiển nối giữa cổng G-K. 8 Basic Structure and Operation Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 2. Khi IG>0, J3 phân cực thuận và điện tử sẽ chạy từ n+ sang p-. Một số điện tử sẽ khuyếch tán qua p- và được nhận ở n-, điều này làm thay đổi trạng thái của J1 làm cho điện tích lỗ hổng từ p+ sẽ chuyển sang n- và khuyếch tán qua p-. Quá trình này làm cho J2 chuyển sang trạng thái phân cực thuận và SCR ON Hoạt động: 1. Khi VAK>0: SCR ở trạng thái khóa thuận (forward-blocking state), J2 phân cực ngược (reverse biased). IG=0. Nếu VAK không vượt quá điện áp đánh thủng thì SCR OFF Trường hợp đặc biệt: khi điện áp ặt lớ hơn điện áp khóa lớn nhất (maximum forward-blocking voltage) thì SCR ON. Tuy nhiê nê tránh trạng thái này do dòng điện tă g đột ngột và có thể gây hư hỏng SCR. 1/21/2013 5 9 Basic Structure and Operation Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Hoạt động: (giải thích cách khác) SCR cấu tạo tương đương hai BJT dạng p-n-p và dạng (n-p-n) Khi điện áp VAK>0, và có xung dòng điện cổng G-K, transistor dạng n-p-n sẽ dẫn. Dòng điện dẫn tiếp tục qua mạch E1-B1 của transistor dạng p-n-p, làm cho transistor này dẫn và SCR dẫn. Dòng qua Collector của transistor này cũng chính là dòng Base của transistor kia. Các transistor cùng duy trì ở trạng thái đóng, ngay cả khi dòng IG ngắt B1 E1 C1 C2 E2 B2 10 Basic Structure and Operation Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Nhánh thuận : UAK>0 và IG>0, Thyristor dẫn tương ứng với giá trị khác nhau của điện áp UAK mà dòng điều khiển IG có những giá trị khác nhau. Thyristor có thể dẫn với IG =0 khi điện áp UAK có giá trị khá lớn. Nhánh nghịch khi UAK<0 Thyristor làm việc như một diode phân cực ngược và chỉ cho dòng điện rò khoảng và mA chạy qua. Nhánh đánh thủng: Khi áp ngược đạt đến giá trị nhất định (UBR) – giá trị này phụ thuộc vào cấu trúc của Thyristor, dòng điện tăng đột ngột và Thyristor bị đánh thủng 1/21/2013 6 11 Dynamic Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Thời gian ngắt an toàn vì vậy sẽ được định nghĩa : tq- Nó bắt đầu khi dòng thuận trở về 0 cho đến khi xuất hiện điện áp khóa thuận mà SCR vẫn không bị đóng trở lại khi chưa có xung dòng điều khiển IG. tq=trr+tr 12 Dynamic Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 7 13 Trạng thái SCR Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Khóa áp thuận (Forward-blocking) SCR ON Khóa áp ngược (Reverse-blocking) 14 Đặc điểm của SCR Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 SCR là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng bằng dòng điện IG. Tín hiệu này có thể ngắt mà SCR vẫn dẫn 1/21/2013 8 15 Đặc điểm của SCR Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Sau khi thyristor dẫn cực điều khiển mất tính chất điều khiển vì thế không thể sử dụng nó để ngắt Thyristor. Không có khả năng kích ngắt, SCR chỉ bị ngắt khi dòng qua nó nhỏ hơn dòng duy trì Dùng cho mạch công suất lớn (đến MVA) với điện áp và dòng điện định mức lớn. Tín hiệu điều khiển là dòng điệntuy nhiên nhỏ hơn dòng điều khiển của BJT 16 Datasheet of SCR Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Thông số của SCR Datasheet of SCR 1/21/2013 9 17 Gate Turn-off Thyristors -GTO Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 GTO là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt bằng dòng điện Cấu tạo gồm lớp tiếp xúc p- n-p-n, và 3 điện cực Anode (A), Cathode (K), Gate (G) tương tự SCR Mạch công suất nối giữa A- K, mạch điều khiển nối giữa cổng G-K. 18 Gate Turn-off Thyristors -GTO Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Mạch tương đương của GTO cũng tương tự SCR là có 2 BJT, tuy nhiên có thêm cổng kích ngắt song song với cổng kích đóng Để kích ngắt GTO phải cấp dòng điện âm vào cổng kích ngắt, dòng này sẽ đẩy các hạt mang điện ra khỏi Emitter của transistor n-p-n (cathode), làm cho n-p-n ngắt và GTO ngắt. 1/21/2013 10 19 Dynamic Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 20 Dynamic Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 11 21 Dynamic Switching Characteristics Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 22 Đặc điểm của GTO Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 GTO có thể ngắt bằng dòng IG âm 1/21/2013 12 23 Đặc điểm của GTO Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 GTO có thể ngắt bằng dòng IG âm 24 Đặc điểm của GTO Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 GTO cũng giống như SCR, được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp anode- cathode dương. GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm. Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài s), nhưng biên độ phải rất lớn so với dòng đóng GTO và thông thường dòng kích ngắt GTO khoản 1/3 dòng anode ở trạng thái dẫn. Đặc tuyến V-A cho GTO giống của SCR. Dùng cho mạch công suất lớn 1/21/2013 13 25 TRIODE ALTERNATIVE CURRENT -TRIAC Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 TRIAC được cấu tạo bởi hai Thyristor mắc đối song. Do đó linh kiện dẫn điện ở cả hai nửa chu kỳ 26 Đặc tính V-I Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều 1/21/2013 14 27 Đặc điểm của TRIAC Power Electronic Devices PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Khái niệm Anode và Cathode không có ý nghĩa đối với TRIAC, ta đánh số T1 là cực gần cực điều khiển G. TRIAC chỉ bị khoá khi IG=0 và điện áp đặt nhỏ hơn áp ngưỡng. Ưu điểm cơ bản của TRIAC là mạch điều khiển đơn giản. Nhưng công suất giới hạn không cao và nhỏ hơn Thyristor. TRIAC tự bảo vệ chống lại quá điện áp theo cả hai chiều 28 Power Electronics For Building THANK YOU FOR YOUR ATTENTION  1/21/2013