Điện tử công suất và điều khiển động cơ - Chương 1: Dụng cụ bán dẫn công suất

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
fV : điện áp rơi trên điốt
: dòng điện rò
: điện áp đánh thủng
rI
bV
Đặc tính chia làm hai phần:
- Nhánh phân cực thuận, điốt dẫn
- Nhánh phân cực ngược, điốt khóa
ĐIỐT CÔNG SUẤT (tiếp)
Thông số điện cơ bản
fV
rI
- Điện áp thuận rơi trên điốt theo chiều từ A đến K khi
điốt mở hoàn toàn.
- Điện áp đánh thủng xảy ra khi điốt bị phá hủy do điện
áp ngược vượt quá ngưỡng chịu đựng của lớp tiếp giáp.
- Dòng điện rò chảy trong điốt khi chịu điện áp ngược.
- Thời gian phục hồi thuận tính từ lúc xuất hiện dòng
điện thuận đến khi điện áp rơi trên điốt xác lập.
- Thời gian phục hồi ngược tính từ lúc bắt đầu xuất
hiện điện áp ngược đến khi dòng điện rò xác lập
bV
frt
rrt
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
30FI A= 600RRMV V= 1.12FV V=
35 60rrt ns= −
TRANSISTOR CÔNG SUẤT
Giới thiệu
BJT MOSFET
TRANSISTOR CÔNG SUẤT - BJT
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
BC ii β=
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.
rit thời gian đi lên của Ci
fit thời gian đi xuống của Ci
thời gian phục hồist
dt thời gian trễ
ont
offt
thời gian BJT chuyển
trạng thái dẫn
thời gian BJT chuyển
trạng thái khóa
TRANSISTOR CÔNG SUẤT – BJT (tiếp)
Hình ảnh BJT
2N5038 của hãng ON, loại BJT npn
max 5BI A= max 20 ( ) / 30 ( )CI A cont A pul=
0 90CEV V= max 140lossP W=
BUF410A của hãng ST, loại BJT npn
max 3BI A= max 15 ( ) / 30 ( )CI A cont A pul=
0 250CEV V= max 125lossP W=
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 của MOSFET 
không đổi. Từ đó xác định được áp rơi và công suất
tổn hao
( )DS onR
( )DS DS on DU R I=
2
oss ( )l D DS onP I R=
DSU
osslP
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
NTMS4816N của hãng ON, loại MOSFET 
enh kênh n
( ) 0.45DS onR = Ω 8.1DI A= 250DSSV V=
, 30on offt t ns< max 74lossP W=
( ) 0.016 (4.5 )DS onR V= Ω 11DI A=
30DSSV V= , 20on offt t ns<
max 1.37lossP W=
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
HA Ii =
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
- Điện áp ngược cực đại
- Điện áp rơi trên thyristor khi dẫn
- Điện áp điều khiển
- Dòng điện điều khiển
- Tốc độ tăng dòng điện
- Tốc độ tăng điện áp
- Dòng điện rò
onI
RBDU
fU
GU
GI
dtdi /
dtdv /
rI
THYRISTOR (tiếp)
Hình ảnh thyristor
Thyristor kép MSS40 của hãng ST
LS43__50 của hãng POWEREX
AIF 55= mAIG 50=
VVFBD 800= VVG 3.1=
sAdtdi µ/50/ = sVdtdv µ/1000/ =
AIF 900= mAIG 200=
VVFBD 1600= VVG 3=
sAdtdi µ/200/ = sVdtdv µ/1000/ =
TRIAC
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
- Hai phần tử thyristor đấu ngược
nhau
- Cực điều khiển đấu chung
- Chuyển trạng thái khóa khi dòng
dẫn thấp hơn giới hạn cho phép
hoặc khi 0=GI
TRIAC (tiếp)
Đặc tính vôn - ampe
- Góc phần tư thứ nhất
ứng với
- Góc phần tư thứ hai
ứng với
12 TT VV >
21 TT VV >
TRIAC (tiếp)
Hình ảnh triac
BTA06 của hãng ST
( ) 0.45DS onR = Ω 8.1DI A= 250DSSV V=
, 30on offt t ns< max 74lossP W=