điện tử công suất chương I

CHƯƠNG 1

CÁC LINH KIỆN BÁN
DẪN


NỘI DUNG CHƯƠNG 1

1.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn
công suất
1.2. Diode
1.3. Transistor
1.4. Thyristor
1.5. Triac
1.6. MOSFET
1.7. IGBT


1.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử công suất.
•
•
•
•
•

Dòng điện làm việc: phải lớn hơn dòng tải.
Điện áp ngược chịu được
Thời gian dẫn thời gian tắt
Điện áp rớt trên phần tử công suất khi dẫn
Tổn hao công suất

1.2. Diod công suất
• Nguyên lí cấu tạo
• Gồm hai chất bán dẫn p,n tạo
thành một mối nối J
• UAK> 0 có dòng điện IAK#0
• UAK< 0 không dòng IAK

Sơ đồ cấu trúc

A

J
p

n

K


Phân cực cho mối nối p-n
p

n

Etx
a)

p

n
b)

Engoµi

Etx
+

c)


• Thông số của diode:
• Iđm – dòng điện định mức, có thể tới 7000A
∀ ∆U – sụt áp thuận, trong khoảng (0,7 - 2)V
∀ ∆P – tổn hao công suất; ∆P = ∆U.I (đến hàng kW)
• Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; tới khoảng 2000oC
• UN - điện áp ngược; Trong khoảng (50-4000)V
• Irò – dòng điện rò, tới vài trăm mA


Một số Điốt thông dụng thường gặp
Điốt Zener còn gọi là điốt ổn áp, là một loại Điốt bán dẫn làm
việc ở chế độ phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng .
Điện áp này còn gọi là điện áp Zener hay thác lở . Khi đó giá trị
điện áp ít thay đổi.
Nó được chế tạo sao cho khi phân cực ngược thì điốt Zener sẽ
ghim một mức điện áp gần cố định bằng giá trị ghi trên diode,
làm ổn áp cho mạch điện.

Diode xung Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp
xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu. diode xung là diode
làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện
thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được,
nhưng ngựơc lại diode xung có thể thay thế cho vị trí diode
thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần.
Về đặc điểm , hình dáng thì Diode xung không có gì khác biệt
với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh
dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng

Diode nắn điện Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ
chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diode này thường có 3 loại là 1A,
2A và 5A.


1.3. Transistor lưỡng cực BJT
Bibolar Junction Transistor

1. Nguyên lí, cấu tạo.
2. Đặc tính, thông số
3. Đặc điểm cấu tạo
4. Sơ đồ darlington


1. Nguyên lí cấu tạo BJT
• Cấu tạo của transistor có dạng như hình vẽ
C
Colector

Emitter

p

n

p

B

a)

n

p

B
e)

c)

n

Colector

C
E

B

C

E

Base
b)

C

E

Base
Emitter

E

d)

B
f)


Hoạt động của transistor.
Dòng hạt thiểu số

Dòng hạt đa số
E

p

n

p

C

E

B

Vùng hiếm

p

p

n
B

Vùng hiếm

a.

Dòng hạt
đa số
E

n

p
IE

b.

Dòng hạt
thiểu số
p
B

IB
c.

C
IC

Nguyên lý hoạt động của tranzitor

C


2. Đặc điểm kết cấu
• Dòng điện điều khiển Ib được xác định Ib = IC/ β
• Trong điện tử công suất, dòng điện lớn nên transistor làm việc ở
chế độ đóng cắt nên khi mở phải thoả mãn điều kiện:
• Ib = kbh. IC/ β (kbh = 1,2 ÷ 1,5 - hệ số bão hoà),
• điện áp bão hoà CE khoảng 1-1,5 V Ib = IC/ β
• Do cần hệ số khuếch đại lớn nên BJT thường cấu tạo dạng
darlington


Thông số
• IC – dòng điện định mức, ( tới 1000A)

∀ β - hệ số khuếch đại dòng điện
• IB = IC/ β – dòng điện base mA
∀ ∆U – sụt áp thuận; (khoảng (0,7 - 2)V)
∀ ∆P – tổn hao công suất sinh nhiệt (đến hàng kW)
• Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng
2000C
• UCE - điện áp CE; Trong khoảng (50-1500)V
• UBE - điện áp BE; hàng vôn


3. Sơ đồ darlington
• Từ đặc tính tĩnh ở trên thấy rằng hệ số khuếch đại dòng điện
của các transistor công suất nhỏ chỉ khoảng hàng chục. Do đó
cần mắc hai transistor nối tiếp nhau như hình vẽ
• Hệ số khuếch đai: β = β1 β2
iC1

iC
iC2

iB = iB1
iE1 = iB2


1.4. Thyristor (SCR)
Cấu tạo của thyristor

• Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn
p-n-p-n tạo thành.
• Tiristor có 3 lớp tiếp giáp J1, J2, J3 hình thành 3 cực Anot:

A, Katot: K, cực điều khiển: G.


3. Mở thyristor
• Tăng điện áp thuận UAK cho đến khi lớn hơn Uthmax khi đó điện trở
nội của tiristor giảm mạnh, dòng qua tiristor sẽ do mạch ngoài
xác định. Phương pháp này trong thực tế không dùng (cần phải
tránh) do những nguyên nhân sau:
– Không phải khi nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị
Uthmax.
– Trường hợp này thường xảy ra do tác dụng của xung áp tại
một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.
• Tăng tốc độ biến thiên điện áp du/dt.
• Đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào cực điều khiển
(UGK>0) . Đây là phương pháp điều khiển tiristor được áp dụng
trong thực tế


4. Khoá thyristor
• Khi một tiristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu điều
khiển Ig là không cần thiết, để khoá tiristor có 2 cách:
• Giảm dòng qua tiristor xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt.
• Đặt một điện áp ngược lên tiristor (biện pháp thường
dùng).


Tham số chính của thyristor
• Itb

• tmở

• Ungmax

• tkhoá

• Ig

• du/dt

• Ug

• di/dt

Ưu
• Cấu trúc đơn giản;
• Sụt áp khi dẫn nhỏ;
• Chịu được điện áp cao;
• Công suất điều khiển nhỏ;
• Van hai cực tính.

Nhược
• Van bán điều khiển (chỉ
đk mở, không đk khóa);
• Tần số chuyển mạch
thấp


1.5. Triac
• Cấu trúc và kí hiệu
• Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện ở hai chiều. Vì vậy,

định nghĩa dòng thuận và dòng ngược không có ý nghĩa
tương tự cho các khái niệm điện áp ngược. Việc kích dẫn
triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cực điều khiển
G, điều khiển để Triac đóng điện là đưa xung dòng kích
vào cực điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên
linh kiện khác zero.
• Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng qua
triac. Triac sẽ ngắt theo quy luật đã được giải thích đối với
Thyristor .


a)


• Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính ở
góc phần tư thứ nhất và thứ ba, mỗi đoạn đều giống như đặc tính
thuận của một thyristor.
• TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương
(dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực
điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém
hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng điều khiển âm
lớn hơn so với dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để
đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC thì sử dụng
dòng điện dương là tốt hơn cả.
• Ứng dụng: Người ta dùng triac để điều chỉnh ánh sáng điện, nhiệt
độ lò ….vv…
•


1.6.Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

( MOSFET )

Trạng thái van
• làm việc với Uds> 0.
• dẫn: Ugs> 0 ; bão hoà tốt nếu Ugs=15V
• khoá Ugs ≤0


Hoạt động
• Khi UGS>0V, các điện trường dương ở cực G sẽ hút các
điện tử của nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N.
• Khi lực hút đủ lớn thì số điện tử bị hút nhiều hơn, đủ để
nối liền hai vùng bán dẫn N thì kênh dẫn được hình
thành.
• Dòng điện ID đi từ D sang S, điện áp phân cực cho cực G
càng tăng thì dòng ID càng lớn.
• Điện áp UGS đủ lớn để tạo thành kênh dẫn điện gọi là
điện áp ngưỡng UGS(T) hay UT.
• Khi UGS

Ưu:

Nhược:

+ điều khiển bằng áp

+ sụt áp khi dẫn lớn (có thể tới
10V)

+ công suất điều khiển nhỏ
+ tham số ít phụ thuộc nhiệt độ
+ có thể không cần điện áp âm ở
trạng thái khóa.

+ Khả năng chịu điện áp ở trạng
thái khóa thấp
+ Van một cực tính

+ tốc độ chuyển mạch nhanh ( có
thể làm việc với tần số hàng trăm
kHz).
Hiện nay đã chế tạo MOSFET:
+ dòng lớn: 1900A x 200V
+ điện áp cao: 900V x 85A
+ loại trung bình: 300A x 300V


1.7. Insulated Gate Bipolar Transistor
(IGBT )

Trạng thái van:
làm việc với Uce>0.
dẫn : Uge> 0 ; bão hoà tốt nếu
Uge=15V
khoá Uge ≤ 0 , khoá tốt nếu Uge= -7V