Bài giảng Điện tử công suất 1 - Chương 1: Linh kiện bán dẫn công suất - Phan Quốc Dũng

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 ĐHQG HCM – ĐHBK TP.HCM - KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ GV : PGS. TS. PHAN QUỐC DŨNG TP.HCM 2013 Nội dung ĐHQG HCM – ĐHBK TP.HCM - KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ Chương 1. Linh kiện bán dẫn cơng suất Chương 2. Bộ chỉnh lưu Chương 3. Bộ biến đổi áp xoay chiều Chương 4. Bộ biến đổi áp một chiều Chương 5. Bộ nghịch lưu Chương 1. Linh kiện bán dẫn cơng suất ĐHQG HCM – ĐHBK TP.HCM - KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 1.TRỊ TRUNG BÌNH Xét điện áp v(t) có chu kỳ T. Trị trung bình của điện áp được tính bởi công thức : Ghi chú: Tương tự tính trị trung bình của dòng; I d ∫ ⋅= T d dttvT V 0 )(1 CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 2. TRỊ HIỆU DỤNG Xét điện áp v(t) có chu kỳ T. Trị hiệu dụng của điện áp được tính bởi công thức : Ghi chú: Tương tự tính trị hiệu dụng của dòng; I ∫ ⋅⋅= T dttv T V 0 2 )(1 CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 3. PHÂN TÍCH FOURIER Định lý Fourier phát biểu rằng một hàm số tuần hoàn v 0 (t) có thể được biểu diễn bởi công thức sau: ( )∑ ∞a Trong đó : = ++= ,...2,1 0 0 sincos2 )( n nn tnbtnatv ωω ( ) ( )∫∫ == pi ωω pi 2 0 0 0 00 1)(2 tdtvdttv T a T Thành phần DC CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 3. PHÂN TÍCH FOURIER Các hệ số sóng hài : ( ) ( )∫∫ == pi ωωω pi ω 2 00 cos 1 cos)(2 ttdntvtdtntv T a T n 00 ( ) ( )∫∫ ⋅=⋅= pi ωωω pi ω 2 0 0 0 0 sin 1 sin)(2 ttdntvtdtntv T b T n CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 3. PHÂN TÍCH FOURIER Nếu n = 1 – hài cơ bản n≥ 2 – hài bậc cao Phép phân tích Fourier được sử dụng để đánh giá thành phần một chiều và xoay chiều của đại lượng điện áp (dòng) ngõ ra bộ biến đổi công suất (thường không có dạng chuẩn một chiều hoặc xoay chiều) và thông qua đó có thể đánh giá so sánh chất lượng các đại lượng điện này. CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 4. Khái niệm về quá trình quá độ và trạng thái xác lập : Khái niệm thường gặp trong ĐTCS, liên quan đến quá trình đóng ngắt của các khoá công suất, còn được gọi là quá trình chuyển trạng thái khoá công suất từ đóng sang ngắt hoặc ngược lại. Quá trình quá độ là quá trình xảy ra ngay sau khi đóng (ngắt) khoá công suất, diễn ra trong khoảng thời gian ngắn và liên quan đến tính chất động của các linh kiện ĐTCS. CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 4. Khái niệm về quá trình quá độ và trạng thái xác lập : Trạng thái xác lập của mạch ĐTCS là trạng thái diễn ra trong khoảng thời gian tương đối dài (so với thời gian đóng ngắt khoá), khi khoá công suất ở trạng thái đóng hoàn toàn hoặc ngắt hoàn toàn. CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 5. Sự liên tục và gián đoạn: Khái niệm liên quan đến tính dẫn điện một chiều của khoá công suất (BJT, IGBT, SCR, GTO). Khi dòng đi qua theo chiều thuận của khoá vẫn còn lớn hơn 0 ta có dòng liên tục. Nếu dòng giảm xuống giá trị nhỏ hơn 0 ⇒ khoá ngắt ⇒ ta có hiện tượng dòng gián đoạn. CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 6. Các hệ số phẩm chất Hệ số hài (HF n ) của sóng hài thứ n : Tỷ lệ trị hiệu dụng sóng hài bậc n so với sóng hài cơ bản. V 1V HF nn = CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 6. Các hệ số phẩm chất Hệ số méo dạng toàn phần : tỷ lệ các sóng hài bậc cao so với sóng hài cơ bản. ∑ ∞ = = 2 2 1 1 n nVV THD CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 7. Định nghĩa Điện tử công suất (ĐTCS) là công nghệ chuyển đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác nhờ ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất lớn. CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 8. Tính chất linh kiện bán dẫn cơng suất + Phát triển cùng với công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn + Là thành phần cơ bản của các bộ biến đổi công suất tĩnh. + Làm việc như khoá công suất và thường chỉ làm việc ở chế độ đóng ngắt + Ưu điểm so với công tắc cơ học + Ứng dụng khóa bán dẫn : là cấu phần của các bộ biến đổi công suất dùng để điều khiển các tham số ra như áp, dòng, công suất, tần số và dạng sóng. CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 9. Phân loại linh kiện bán dẫn công suất
Theo tính điều khiển
Theo chiều dòng điện đi qua
Theo khả năng khóa áp ngược
Tín hiệu điều khiển CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 10. Tính chất tĩnh và động • Tính chất tĩnh : Liên quan đến cơng suất tổn hao trên khĩa bán dẫn khi khĩa ở trạng thái đĩng hoặc ngắt hồn tồn. • Tính chất động : liên quan đến thời gian khĩa chuyển trạng thái ton, toff CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ HỆ THỨC CƠ BẢN 6. Các hệ số phẩm chất Hệ số méo dạng toàn phần : tỷ lệ các sóng hài bậc cao so với sóng hài cơ bản. ∑ ∞ = = 2 2 1 1 n nVV THD CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN • Linh kiện không điều khiển • Có cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp p-n, 2 điện cực ngoài • Phương pháp chế tạo : Khuyếch tán nguyên tử tạp chất loại p vào một mặt của phiến tinh thể Si loại n 1. DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM • Cực Anode nối với lớp p, Cathode nối với lớp n • Quá trình đóng ngắt : Nếu V AK > 0 (điện áp Anode dương hơn điện áp Cathode) thì diode dẫn (đóng), ngược lại diode ngắt 1. DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN + Khả năng điều khiển dòng điện (vài A → vài kA ) + Khả năng khóa điện áp (vài chục V → vài kV ) 1. DIODE CÔNG SUẤT : ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH Thời gian cần thiết để diode phục hồi khả năng chịu áp khoá khi quá trình dẫn thuận chấm dứt – phục hồi nhanh - phục hồi chậm CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH Tính tốn trr để đánh giá khả năng đĩng ngắt với tần số phù hợp. (Example 2.1 – PE Handbook) Bài tập : Xem Tutorial 2.1 p.19, 20 PE Handbook CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: BẢO VỆ LINH KIỆN Giá trị dv/dt tra từ thơng số kỹ thuật của linh kiện. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: ĐỊNH MỨC LINH KIỆN Xem ví dụ 2.2 p.18 PE Handbook Định mức áp : VRRM – giá trị áp ngược tức thời lớn nhất trên diode Định mức dịng : IAV – giá trị trung bình dịng qua diode CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT - Linh kiện điều khiển bằng dòng và có ba cực ngoài: Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều khiển Base (B). + Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E + Xung điều khiển cấp vào giữa 2 cực B và E - Transistor vận hành như một khóa đóng cắt bán dẫn - BJT công suất được định mức đến 1200V và 400A. Chúng thường được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành đến 10kHz. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT :ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : ĐẶC TÍNH ĐỘNG CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : MẠCH BẢO VỆ CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : MẠCH KÍCH VCC C Q4R4 R5 R6 TX1 D1 2 D2 1 2 3 CHỨC NĂNG : -CÁCH LY ĐIỆN - KHUẾCH ĐẠI A E GND Q1 Q2 Q3 R1 R2 R3 R7 R8 C2 1 C1 C3 - TẠO DẠNG XUNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR DARLINGTON Điều khiển dịng cơng suất IC bằng dịng điều khiển IB trị số thấp. hFE= IC/IB CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM Sử dụng trong các bộ nguồn, bộ biến đổi DC- DC, bộ điều khiển động cơ... CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM + Linh kiện điều khiển bằng áp. Điện áp gate-source VGS đủ lớn sẽ đóng MOSFET (15V, < =20V). + VDS > 0 và VGS > 0 ⇒ ON VGS≤ 0 ⇒ OFF CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - ĐẶC ĐIỂM + MOSFET có cấu trúc diode ngược ký sinh . CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM + Công suất tổn hao nhiệt ở trạng thái đóng của MOSFET cao hơn BJT. MOSFET điện áp thấp sẽ có điện trở lúc dẫn RDS(on) nhỏ hơn 0.1Ω, tuy nhiên các MOSFET cao áp có điện trở dẫn lên đến vài Ω. + Định mức MOSFET khoảng 1000V và 50A. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Đặc tuyến Volt- Ampere CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Đặc tính động MOSFET đóng cắt nhanh và được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành với tần số đến 100kHz và hơn. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Mạch kích CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT - VCE > 0 và VGE > 0 ⇒ ON VGE≤ 0 ⇒ OFF -Không có khả năng khóa áp ngược giá trị lớn hơn 10V -Định mức IGBT áp U 500- 1700 V, dòng I <= 1 KA -Tần số đóng ngắt cao hơn so với BJT nhưng thấp hơn MOSFET -IJBT có thể làm việc với tần số đóng cắt lên đến 30kHz (3-30kHz) CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT + Giống MOSFET , khác ở điện trở lúc IGBT đóng RCE ( ON ) nhỏ hơn nhiều so với RDS(ON)MOSFET vì cấu trúc IGBT có lớp chuyển tiếp pn ⇒ có sự dẫn điện bằng hạt dẫn không cơ bản ⇒ dòng I điều khiển được đối với IGBT lớn hơn 5, 10 lần so với MOSFET + Có tín hiệu áp điều khiển VGE⇒ dòng qua lớp pn phân cực thuận từ cực C ⇒ E. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT Đặc tính động : thời gian ngắt toff CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. IPM – Intelligent Power Module CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. IPM – Intelligent Power Module CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - dùng cho mạch công suất lớn; - bốn lớp p, n với 3 cực ngoài Anode (A), Cathode (K) và Gate (G); - mạch điều khiển được nối giữa cực G & K . Mạch công suất được nối giữa A & K ; - linh kiện điều khiển bằng dòng. Xung dòng IG kích đóng SCR; - không kích ngắt, dòng qua SCR đang dẫn if bị ngắt khi giá trị dòng này thấp hơn dòng duy trì If < Ih ≈ 0 - định mức SCR : áp vài kV, dòng vài kA CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: a. Trạng thái khóa áp ngược ( SCR ngắt ) V R G K A CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: b. Trạng thái khóa áp thuận ( SCR ngắt ) V R G A K CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: c. Trạng thái dẫn ( SCR đĩng ) CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Quá trình đóng ngắt a. Hiện tượng đóng mạch xảy ra ( chuyển từ ngắt ⇒ đóng ) khi - SCR được đặt ở trạng thái khóa áp thuận - Xung dòng IG > 0 đưa vào cổng GK Mạch tương đương của SCR gồm 2 transistor mắc đối Collector và Base với nhau, xung IG làm 2 transistor nhanh chóng dẫn bão hòa. Lúc SCR dẫn, trạng thái của nó giống diode nên dòng IG không còn cần thiết nữa để duy trì trạng thái đóng SCR. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Quá trình đóng ngắt b. Hiện tượng ngắt mạch gồm 2 giai đoạn; Chuyển từ đóng ⇒ ngắt Giai đoạn 1: Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa anode và cathode ( đặt áp ngược ) Giai đoạn 2: khôi phục khả năng khóa của SCR Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu SCR cần có 1 thời gian ngắt an toàn (tq) để SCR có thể chuyển sang trạng thái khóa áp thuận an toàn. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR – Đặc tính động CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - THỜI GIAN NGẮT AN TỒN tq tq : sau khi phục hồi lớp điện trở nghịch của J1 và J3 quá trình ngắt vẫn chưa chấm dứt, cần có thêm một thời gian nữa để khôi phục khả năng khóa áp thuận tức là khôi phục điện trở nghịch của lớp J2 . Thời gian ngắt an toàn vì vậy sẽ được định nghĩa : tq- Nó bắt đầu khi dòng thuận trở về không cho đến khi xuất hiện điện áp khóa thuận mà SCR vẫn không bị đóng trở lại khi chưa có xung dòng điều khiển IG. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - MẠCH KÍCH SCR VCC R4 Q1 A A - X1 R1 R2 R3 R5 R6 Q2 TX1 D1 D2 K G CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - MẠCH BẢO VỆ dV/dt dV/dt di/dt CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate turn off thyristor CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate turn off thyristor CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate turn off thyristor - Thyritor GTO cũng giống như SCR, được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp anode- cathode dương (biên độ cao hơn SCR thường). - GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm. - Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài µs), nhưng biên độ phải rất lớn so với dòng đóng GTO và thông thường dòng kích ngắt GTO khoảng 1/5 – 1/2 dòng anode ở trạng thái dẫn. - Đặc tuyến V-A cho GTO giống của SCR. - Định mức GTO : dòng vài kA , áp vài kV: Dùng cho mạch công suất lớn CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate Turn Off Thyristor U1R1 R3 R5 R6 Q2A C1 X1 + PS1 A G +VGG ON U2R2 R4 R7 Q5 Q4A - PS2 Xung đóng Xung ngắt K Q1 Q3 -VGG OFF CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. TriAc -Linh kiện điều khiển dòng xoay chiều và có 1 cổng điều khiển - Định mức: 1kV, 50A - Kích đóng bằng xung dòng điều khiển giống SCR - Ngắt tự nhiên bằng áp ngược G A1 A2 CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. TriAc 4 vùng làm việc CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. TriAc Đặc tuyến V-A CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 7. MCT – MOS CONTROLLED THYRISTOR CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 7. MCT – MOS CONTROLLED THYRISTOR CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 8. IGCT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 8. IGCT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 8. IGCT : Turn off mode CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 8. IGCT : Turn off mode CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 8. IGCT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN