Bài giảng Điện tử công suất: Các linh kiện bán dẫn (p1) - 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
Các linh kiện bán dẫn cơ bản

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

7

Power Electronic Devices
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  



1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

8

4


1/21/2013

Power Electronic Devices
So sánh công suất các linh kiện bán dẫn

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

9

Power Electronic Devices
The PN Junction

1/21/2013

Metallurgical

SteadyCharge
State Junction:
Space
Region - Depletion region (vùng hiếm).
Na
& Nd:
The
interface
where
the pn-type and
materials
When
no external
source
isand
connected
to the
pn meet.
junction,
diffusion
This
region
includes
positively
negatively
charged
regions.
Vùng mang điện tích the
âm net
và điện

tích dương.
10
(khuyếch
tán)
and
drift
(tái
kết)
balance
each
other
out for both the
The
space
charge
region
does
not
have
any
free
carriers.
PGS.TS Le Minh Phuong
holes and electrons

5


1/21/2013

Power Electronic Devices
Diodes
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.
1/21/2013

11

PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices
Diodes
When an external voltage is applied, the p-n junction is considered
biased. There are two types of biasing: Forward bias and Reverse bias.

1/21/2013

Forward Bias -Phân cực
thuận,(UAK>Vf):
When the applied voltage increases,
current
to flow
across the junction.
PGS.TSstarts
Le Minh

Phuong

12

6


1/21/2013

Power Electronic Devices
Diodes
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.

1/21/2013

13

PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices
Đặc tính V-A
 VD = Bias Voltage
 ID = Current
through Diode
 Ileakage = Dòng rò

 VBR = Breakdown
Voltage
 Vf = Barrier
Potential Voltage

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

14

7


1/21/2013

Power Electronic Devices
Đặc tính động
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
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

t RR  t a  t b

15

Power Electronic Devices
Các dạng diode
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

PGS.TS Le Minh Phuong

16

8


1/21/2013

Power Electronic Devices

Các dạng diode
Small signal diode:
- Có ứng dụng rộng rãi nhất
- Ứng dụng trong các mạch như : switch in rectifiers, limiters,
capacitors, mạch tạo tín hiệu

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

17

Power Electronic Devices
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

PGS.TS Le Minh Phuong

18

9


1/21/2013

Power Electronic Devices
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

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

19

Power Electronic Devices
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

PGS.TS Le Minh Phuong

20

10


1/21/2013

Power Electronic Devices

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

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

21

Power Electronic Devices
Typical Diode Ratings
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

PGS.TS Le Minh Phuong

23

11


1/21/2013

Power Electronic Devices
Typical
Diode
Ratings

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

24

Power Electronic Devices
Snubber Circuits for Diode
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

PGS.TS Le Minh Phuong

25

12


1/21/2013

Power Electronic Devices
Typical Applications of Diodes

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

26

Power Electronic Devices
Typical Applications of Diodes
1. Dùng trong mạch chỉnh lưu

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

27

13


1/21/2013

Power Electronic Devices

Typical Applications of Diodes
1. Dùng trong mạch chỉnh lưu

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

28

Power Electronic Devices
Power Bipolar Transistors (BJT)
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

PGS.TS Le Minh Phuong

31

14

1/21/2013

Power Electronic Devices
Power Bipolar Transistors (BJT)

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

32

Power Electronic Devices
The NPN Transistor

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

38

15


1/21/2013

Power Electronic Devices
Nguyên lý làm việc

C
IC

n
IB

p

holes

n

electrons

UCE
holes

B

E

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
40

PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices
Đặc tính V-A
1. Cut-off Region
Here the operating

2.
Active region
conditions
of the –
Constant
current
transistor are
zero

The
activecurrent
region (IisB),
input base
horizontal
of
3. Saturation
zero

outputportion
collector
curves
. (IItCshows
current
) and
Region
“constant”
Ctransistor
current,
maximum
Here theicollector
because
the
collector
voltage
(V
will be biased
CE ). so: the
current
does
not is
Therefore
the
collector
current
change
significantly
with
transistor

isinswitched
maximum
the
V"Fully-OFF".
CE for a given
iB.
minimum
collector
Those
portionsdrop.
are
emitter voltage
used
only for the
small
Therefore
signal
transistor
transistor
is switched
operating
as linear
"Fully-ON".
amplifiers

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

41

16


1/21/2013

Power Electronic Devices
The Transistor as a Switch
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)

1/21/2013

43

PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices
The Transistor as a Switch
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

PGS.TS Le Minh Phuong

44

17


1/21/2013

Power Electronic Devices
The Transistor as a Switch

1/21/2013

45

PGS.TS Le Minh Phuong

Power Electronic Devices
Dynamic Switching Characteristics

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

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

46

18


1/21/2013

Power Electronics



For Building
THANK YOU
FOR YOUR ATTENTION

1/21/2013

58

19