Bài giảng Điện tử công suất và điều khiển động cơ: Chương 1 - Nguyễn Thị Hồng Hạnh

CHƯƠNG 1
DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
Điốt công suất
Transistor công suất
Thyristor
Triac


GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN
Pha thêm nguyên tố nhóm V
(lớp ngoài cùng có 5 điện tử),
4 điện tử sẽ ghép với điện tử
lớp ngoài của nguyên tố Si chỉ
còn lại 1 điện tử. Điện tử này
dễ bị tách khỏi lớp ngoài của
nguyên tố nhóm V để trở
thành điện tử tự do di chuyển
trong cấu trúc tinh thể.
Bán dẫn loại n


GIỚI THIỆU VỀ BÁN DẪN (tiếp)
Pha thêm nguyên tố nhóm III
(lớp ngoài cùng có 3 điện tử
tự do), chúng sẽ ghép với điện
tử lớp ngoài của nguyên tố Si
kết quả xuất hiện lỗ trống bên
trong cấu trúc tinh thể, nó có
khả năng nhận thêm một điện
tử.

Bán dẫn loại p


ĐIỐT CÔNG SUẤT
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

a) Trạng thái bình thường, điốt không dẫn
b) Khi điện áp thuận đặt vào điốt
c) Khi điện áp ngược đặt vào điốt


ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp)
Đặc tính vôn - ampe
Đặc tính chia làm hai phần:
- Nhánh phân cực thuận, điốt dẫn
- Nhánh phân cực ngược, điốt khóa

V f : điện áp rơi trên điốt
I r : dòng điện rò
Vb : điện áp đánh thủng


ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp)
Thông số điện cơ bản
- Điện áp thuận V f rơi trên điốt theo chiều từ A đến K khi
điốt mở hoàn toàn.
- Điện áp đánh thủng Vb xảy ra khi điốt bị phá hủy do điện
áp ngược vượt quá ngưỡng chịu đựng của lớp tiếp giáp.
- Dòng điện rò I r chảy trong điốt khi chịu điện áp ngược.
- Thời gian phục hồi thuận t fr tính từ lúc xuất hiện dòng

điện thuận đến khi điện áp rơi trên điốt xác lập.
- Thời gian phục hồi ngược t rr tính từ lúc bắt đầu xuất
hiện điện áp ngược đến khi dòng điện rò xác lập


ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp)
Ví dụ quá trình chuyển trạng thái từ dẫn sang khóa

a) Quá trình quá độ không dao động
b) Quá trình quá độ có dao động tắt dần


ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp)
Hình ảnh điốt công suất
Điốt kép MUR3060 của hãng Motorola

I F = 30 A VRRM = 600V VF = 1.12V
trr = 35 − 60ns


TRANSISTOR CÔNG SUẤT
Giới thiệu

BJT

MOSFET


TRANSISTOR CÔNG SUẤT - BJT
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

iC = β iB


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp)
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động (tiếp)
BJT công suất chịu điện áp lớn
khi khóa, dẫn dòng lớn khi
đóng.

BJT công suất


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp)
Đặc tính vôn – ampe

Quan hệ giữa điện áp hai
cực và dòng điện chảy qua
các cực.


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp)
Đặc tính vôn – ampe (tiếp)

SOA là yếu tố rất
được quan tâm khi
BJT hoạt động ở
chế độ băm xung


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp)

Chế độ hoạt động băm xung
Tốc độ chuyển trạng thái là
yếu tố quan trọng.
t ri thời gian đi lên của iC
t fi thời gian đi xuống của iC
t s thời gian phục hồi
t d thời gian trễ
t on thời gian BJT chuyển
trạng thái dẫn
t off thời gian BJT chuyển
trạng thái khóa


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp)
Hình ảnh BJT
2N5038 của hãng ON, loại BJT npn

I B max = 5 A

I C max = 20 A(cont ) / 30 A( pul )

VCE 0 = 90V Ploss max = 140W
BUF410A của hãng ST, loại BJT npn

I B max = 3 A

I C max = 15 A(cont ) / 30 A( pul )

VCE 0 = 250V Ploss max = 125W

TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
Cấu trúc phân lớp theo
chiều thẳng đứng.
Mở bằng áp, yêu cầu
cầu dòng mở rất nhỏ.
Có hai loại cấu trúc
phổ biến: ech và dep.


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp)

Đặc tính vôn - ampe


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp)

Đặc tính vôn – ampe (tiếp)

SOA là yếu tố rất
được quan tâm khi
MOSFET hoạt
động ở chế độ
băm xung


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp)

Chế độ hoạt động băm xung

Đặc tính đóng mở của MOSFET cũng tương đối giống
như BJT tuy nhiên do cấu trúc có sự khác biệt nên thông
số ảnh hưởng đến chế độ hoạt động cũng tương đối khác.
Trong vùng tuyến tính, điện trở dẫn RDS ( on ) của MOSFET
không đổi. Từ đó xác định được áp rơi U DS và công suất
tổn hao Ploss

U DS = RDS ( on ) I D

Ploss = I D2 RDS ( on )


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp)

Chế độ hoạt động băm xung (tiếp)
Tích hợp điốt ngược bên trong vỏ linh
kiện đối với MOSFET. Nó đóng vai trò
phần tử hoàn năng lượng khi
MOSFET chuyển trạng thái từ dẫn
sang khóa.
Tụ điện ký sinh giữa hai cực MOSFET
ảnh hưởng đến đặc tính đóng cắt của
phần tử, ảnh hưởng càng lớn khi tần
số đóng cắt càng lớn.


TRANSISTOR CÔNG SUẤT – MOSFET (tiếp)

Hình ảnh MOSFET
IRF634 của hãng International Rectifier,

MOSFET enh, kênh n

VDSS = 250V
RDS ( on ) = 0.45Ω I D = 8.1A
ton , toff < 30ns Ploss max = 74W
NTMS4816N của hãng ON, loại MOSFET
enh kênh n

RDS ( on ) = 0.016Ω(4.5V )
VDSS = 30V
Ploss max = 1.37W

I D = 11A
ton , toff < 20ns


THYRISTOR
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
- Chịu được điện áp đặt lớn khi
không dẫn
- Khả năng dẫn phụ thuộc vào giá trị
dòng điện điều khiển
- Chuyển trạng thái khóa khi dòng
dẫn thấp hơn giới hạn cho phép

iA = I H


THYRISTOR (tiếp)
Đặc tính vôn - ampe

- 1: Đoạn khóa thuận
- 2: Đoạn dẫn
- 3: Đoạn khóa ngược


THYRISTOR (tiếp)
Thông số điện cơ bản
- Dòng điện định mức dẫn I on
- Điện áp ngược cực đại U RBD
- Điện áp rơi trên thyristor khi dẫn U f
- Điện áp điều khiển U G
- Dòng điện điều khiển I G
- Tốc độ tăng dòng điện di / dt
- Tốc độ tăng điện áp dv / dt
- Dòng điện rò I r


THYRISTOR (tiếp)
Hình ảnh thyristor
Thyristor kép MSS40 của hãng ST

I F = 55 A
VFBD = 800V

di / dt = 50 A / µs

I G = 50mA
VG = 1.3V
dv / dt = 1000V / µs

LS43__50 của hãng POWEREX

I F = 900 A
VFBD = 1600V

I G = 200mA
VG = 3V

di / dt = 200 A / µs

dv / dt = 1000V / µs