Bài giảng Điện tử công suất: Chương 1 - Lê Văn Doanh

ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Tài liệu tham khảo
• Điện tử cơng suất – Lê Văn Doanh
• Giáo trình điện tử cơng suất – Nguyễn Văn Nhờ
• Điện tử cơng suất – Nguyễn Bính

0903 586 586


CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU – CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1.1 Khái niệm chung

Điện tử Công suất lớn

Các linh kiện điện tử công suất được sử dụng
trong các mạch động lực – công suất lớn


Sự khác nhau giữa các linh kiện điện tử ứng dụng
(điện tử điều khiển) và điện tử cơng suất
• Cơng suất: nhỏ – lớn
• Chức năng: điều khiển – đóng cắt dịng điện cơng suất lớn

Điều khiển

Động lực
IC

IB
• Thời điểm

• Công suất

Các linh kiện điện tử
công suất chỉ làm
chức năng đóng cắt
dịng điện – các van


Transistor điều khiển: Khuyếch đại

IC

R
UCE = UCE1

iC
C

iB

B

a

UCE = U - RIC

IB1 > 0

A

E

IB2 > IB1

A

uCE

B
uBE

b

U

U
R

IB = 0

iE

IB

IB2

Transistor cơng suất: đóng cắt dòng điện

UCE1

U

UBE < 0

UCE


Đặc tính Volt – Ampe của van cơng suất lý tưởng
i
b

i

c

điều khiển

a
u
d

u


Đối tượng nghiên cứu của điện tử cơng suất
• Các bộ biến đổi cơng suất
• Các bộ khóa điện tử cơng suất lớn
Chỉnh lưu

• BBĐ điện áp

xoay chiều (BĐAX)
• Biến tần

BBĐ điện áp
một chiều
(BĐXA)

Nghịch lưu


1. 2. Các linh kiện điện tử công suất
1.2.1 Chất bán dẫn - Lớp tiếp giáp P - N
Chất bán dẫn:
Ở nhiệt độ bình thường có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện
Loại P: phần tử mang điện là lỗ trống – mang điện tích dương
Loại N: phần tử mang điện là các electron – mang điện tích âm
J
+
+
+
+
P

P

+

+

+

+

-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

-

-

+

+

+

-

-

-

+

+

+

-

-

-

+

+

+

-

-

-

Miền bão hịa
- Cách điện

N

N


Phân cực ngược

N

P

-

+

+

+

-

-

-

+

+

+

-

-

-

+

+

+

-

-

-

+

Miền bão hòa
- Cách điện

N

P

-

+

-

+

-

+

Miền bão hòa - Cách điện

+


Phân cực thuận

N

P

+

+

+

+

-

-

-

+

+

+

-

-

-

+

+

+

-

-

-

-

Miền bão hòa
- Cách điện

-

+
i


1.2.2 Diode
Cấu tạo, hoạt động
uF
iF

Anode
A

Katode
P N
K

Hướng thuận

A

Hướng ngược

R: reverse – ngược
F: forward – thuận

K
iR
uR


Đặc tính V – A
i

Diode lý tưởng
Hai trạng thái: mở – đóng I

F

[A]

Diode thực tế

Nhánh ngược
– đóng

100

Nhánh thuận – mở

u

Nhánh thuận – mở
50
U[BR]

UR [V]
800

Nhánh ngược
– đóng

dU R
rR =
dI R
điện trở ngược trong diode
UBR: điện áp đánh thủng

400

o

T = 160 C
j
o
T = 30 C
j

UF [V]

1

0

1,5

UTO: điện áp rơi trên diode

20
URRM
URSM

dU F
dI F
điện trở thuận trong diode
rF =

30
IR [mA]


Đặc tính động của diode
I

• UK: Điện áp chuyển mạch
• trr: Thời gian phục hồi khả năng đóng
• irr: Dịng điện chuyển mạch – phục hồi

L
UK

-

Qr = ∫ irr dt

: điện tích chuyển mạch

iF

iF
iF = I

0

+
Ðóng S

t rr

S

trr

0,1 irrM

O
iR

irrM

Q áp trong

t

irr
iR

irr

Qr

uF

t

O

uR

Uk

uRM

uR = Uk


Bảo vệ chống quá áp trong

R

Mở

C

Đóng

t

O

iRC
uR

V

L

V

irr

iL
irr
Uk

-

+

iRC

t

O

Uk

i L = irr + i RC u = U − L diL
R
k
dt


Các thơng số chính của diode
IF [A]

Điện áp:
• Giá trị điện áp đánh thủng UBR
• Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại:
URRM
• Giá trị cực đại điện áp ngược khơng lập
lại: URSM
Dịng điện - nhiệt độ làm việc
• Giá trị trung bình cực đại dịng điện
thuận: IF(AV)M
• Giá trị cực đại dịng điện thuận khơng
lập lại: IFSM

100

Nhánh thuận – mở

50
U[BR]

Nhánh ngược
– đóng

UR [V]
800

400

o

T = 160 C
j
o
T = 30 C
j

UF [V]
1

0

1,5

20
URRM
URSM

30
IR [mA]


Diode thực tế: IDB30E60 – Infineon Technologies


1.2.3 Transistor lưỡng cực (BT)
(Bipolar Transistor)
Cấu tạo, hoạt động
C

C

P

N
B

B

N

P

P

N
E

E

R

R

iC

iC

E

iE

uEC

B
uEB

U

C

iB

uCE

B
uBE

U

C

iB

E

iE


Đặc tính Volt – Ampe

Miền mở bão hịa
IC
UCE = UCE1
b

• Đặc tính ngồi IC = f(UCE)
• Đặc tính điều khiển IC = f(IB)

U
R

B

Mở

a

UCE = U - RIC

IB2 > IB1

A
IB1 > 0

A

Đóng

IB

IB2

UCE1

U

Miền đóng bão hịa

IB = 0

UBE < 0

UCE


a)

ICE
UBR(CE0)

IB = 0
ICE0
ICER
ICES
ICEU

UBR(CER)
UBR(CES)
UBR(CEU)

O

UCES
UCE0
UCER UCEU

b)

RB

RB

+
-IB

-IB

UBE

-

+

+

UBE

-

• 0 … Hở mạch B – E (IB = 0)
• R … Mạch B – E theo hình b)
• S … Ngắn mạch B – E (RB →0)
• U … Mạch B – E theo hình c)

UCE
c)
ICEU


Quá trình quá độ của transistor

iB
IB
0.9IB

0.1IB
O

t
td

tr

uCE

O

0.1IC

ton

0.9IC

tf

ts

iC

0.1IC

IC
toff


Mạch trợ giúp đóng mở

Các thơng số chính
Điện áp:
• Giá trị cực đại điện áp
colector – emitor UCE0M khi
IB = 0
• Giá trị cực đại điện áp
emitor – bazơ UEB0M khi IC
=0
Dòng điện: Giá trị cực đại
của các dòng điện IC, IB, IE

(Điện tử cơng suất – Nguyễn Bính)


Transistor thực tế - MJW3281A (NPN) – ON Semiconductor


1.2.4 Transistor trường MOSFET
(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)
D
N

D

iD

N
P

P

N

N

S

G

uGS

OXID

S

G

OXID

D
D
G
uGS

iD
uDS

S

G

S


Đặc tính động

D

CGD

R
iD

RG

on

G

CDS

+

UG -

uGS

CGS

off

+

uDS

S

U

GS

0.9UG
UG
0.1UG

UGS(th)
uDS

iD

0.9U

t
0.9U

U
0.1U
tr
td(on)

tf

td(off)

ton

toff


MOSFET thực tế - 19MT050XF – International Rectifier


1.2.5 Transistor lưỡng cực cổng cách ly - IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor

C

C

G
G

E
E