Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p2) - PGS.TS Lê Minh Phương

1/21/2013

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: ;
1

Power Electronics

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
PGS.TS Lê Minh Phương
Khoa Điện –Điện Tử
Trường ĐHBK TPHCM

TPHCM
2012

2

1

1/21/2013

Contents – Nội dung
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
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

3

References
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
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

4

2


1/21/2013

Power Electronics
Chương 2

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN
PGS.TS Lê Minh Phương
Khoa Điện –Điện Tử
Trường ĐHBK TPHCM

TPHCM
2012

5

Contents – Nội dung
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)

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

6

3


1/21/2013

Power Electronic Devices
The Power MOSFET
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.

1/21/2013

7

PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices

The Power MOSFET
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

PGS.TS Le Minh Phuong

8

4


1/21/2013

Power Electronic Devices
The Power MOSFET
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.

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

9

Power Electronic Devices
MOSFET Structure
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

PGS.TS Le Minh Phuong

10

5


1/21/2013

Power Electronic Devices
MOSFET Regions of Operation
Đặc tính V-I của MOSFET được
chia làm ba vùng
1. Vùng Triode (Linear region)
VGS> VTh và VDS 2. Vùng Saturation (Active region)
VGS> VTh và VDS >VGS −VTh
3. Vùng Cut-off (Turn off)
VGS< VTh

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

13

Power Electronic Devices
The MOSFET as a Switch

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

14

6


1/21/2013

Power Electronic Devices
The MOSFET as a Switch
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 "FullyOFF".
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"
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

15

Power Electronic Devices
The MOSFET as a Switch
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 V GS > 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

PGS.TS Le Minh Phuong

16

7


1/21/2013

Power Electronic Devices
MOSFET Switching Characteristics

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

17

Power Electronic Devices
MOSFET Switching Characteristics

(a) Simplified equivalent circuit used to study turn-on and turn-off
characteristics of the MOSFET and
(b) simplified equivalent circuit.
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

18

8


1/21/2013

MOSFET is in the off-state for
tMOSFET in the off-state
VGS <VTh for t1 > t > t0; (c)
VGS > VTh, iD VGS > VTh, iD =I0 for t2 ≤t< t3;
VGS > VTh, iD = Io for t3 ≤ t < t4.
Switching Characteristics

Power Electronic Devices
MOSFET

As long as VGS 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

The gate current continues to
At
t = t3, the
Vds reaches
decrease
exponentially
Atits
t = t2, iD
minimum
value
determined
reaches its maximum value by
of Iits
0,
on resistance, vDS(ON ) i.e.
vDS(ON) is given by,

1/21/2013

19

PGS.TS Le Minh Phuong

Turn-off switching waveforms.
Power Electronic Devices

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

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

For t>t3, the gate voltage continues
to decrease exponentially to zero,
at which the gate current becomes20
zero

9


1/21/2013

Power Electronic Devices
Datasheet of the MOSFET

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

21

Power Electronic Devices
Đặc điểm của MOSFET
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

PGS.TS Le Minh Phuong

22

10


1/21/2013

Power Electronic Devices
Đặc điểm của MOSFET
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

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

23

Power Electronic Devices
Đặc điểm của MOSFET

 />

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

24

11


1/21/2013

Power Electronic Devices
Insulated Gate Bipolar Transistor
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.
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

25

Power Electronic Devices
Insulated Gate Bipolar Transistor
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

PGS.TS Le Minh Phuong

26

12


1/21/2013

Power Electronic Devices
Insulated Gate Bipolar Transistor
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 GE

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

27

Power Electronic Devices
StaticCharacteristics
Đặc tuyến VA tương tự như MOSFET (thay đổi ký hiệu các cực , D 
C, S E)

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

28

13


1/21/2013

Power Electronic Devices
Dynamic Switching Characteristics

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

Tần số đóng ngắt cao hơn so với BJT nhưng thấp hơn MOSFET, tON
IGBT  tON MOSFET , tOFF IGBT > tOFF MOSFET
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

29

Power Electronic Devices
Dynamic Switching Characteristics

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

30

14

1/21/2013

Power Electronic Devices
Đặc điểm của IGBT
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

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

34

Power Electronic Devices
Đặc điểm của IGBT
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

PGS.TS Le Minh Phuong

35

15


1/21/2013

Power Electronic Devices
Datasheet of IGBT

1/21/2013

36

PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronics



For Building
THANK YOU
FOR YOUR ATTENTION

1/21/2013

37

16