Bài giảng Điện tử công suất - Chương 1 - Trần Trọng Minh

28/08/2014 1 Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 8 - 2013 Mục tiêu và yêu cầu  Mục tiêu:  Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của biến đổi điện năng.  Có hiểu biết về những đặc tính của các phần tử bán dẫn công suất lớn.  Có các khái niệm vững chắc về các quá trình biến đổi xoay chiều – một chiều (AC – DC), xoay chiều – xoay chiều (AC – AC), một chiều – một chiều (DC –DC), một chiều – xoay chiều (DC – AC) và các bộ biến tần.  Biết sử dụng một số phần mềm mô phỏng như MATLAB, PLEC, để nghiên cứu các chế độ làm việc của các bộ biến đổi.  Sau môn học này người học có khả năng tính toán, thiết kế những bộ biến đổi bán dẫn trong những ứng dụng đơn giản.  Yêu cầu:  Nghe giảng và đọc thêm các tài liệu tham khảo,  Sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm chứng lại các quá trình xảy ra trong các bộ biến đổi,  Củng cố kiến thức bằng cách tự làm các bài tập trong sách bài tập. 10/22/2010 2 28/08/2014 2 Thi và kiểm tra  Đánh giá kết quả:  Điểm quá trình: trọng số 0,25  Kiểm tra giữa kỳ: 0,25  Thi cuối kỳ: 0,75  Tất cả các lần thi và kiểm tra đều được tham khảo tất cả các loại tài liệu (Open book examination). 10/22/2010 3 Tài liệu tham khảo  Slides (Được cung cấp theo từng chương).  1. Giáo trình Điện tử công suất; Trần Trọng Minh; NXB Giáo dục Việt nam, 2012 (new).  2. Điện tử công suất; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh; NXB KH&KT Hà nội, 2009.  3. Phân tích và giải mạch Điện tử công suất; Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi; NXB KH&KT, 1999.  4. Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất; Phạm Quốc Hải; NXB KH&KT 2009. 10/22/2010 4 28/08/2014 3 Các môn học liên quan đến ĐTCS EE  3410 Điện tử công suất  3(3‐0‐1‐6) EE 4336 Thiết kế hệ thống điều khiển Điện tử công suất  3(2‐1‐0‐4) EE 6032 Điều khiển Điện tử công suất 3(3‐0‐0‐6) EE 6232 Điện tử công suất nâng cao 2(2‐0‐0‐4) EE 7xxx Những thành tựu mới của Điện tử công suất  2(2‐0‐0‐4) 10/22/2010 5 Điện tử công suất là gì? Yêu cầu về các bộ biến đổi  điện – điện Tuy nhiên   Điện năng sản xuất tập trung tại  các nhà máy điện.  Truyền tải đi xa nhờ hệ thống  đường dây.  Tại nơi tiêu thụ các thiết bị điện  được chế tạo phù hợp với các  thông số của nguồn điện: điện  áp (V), tần số (Hz), số pha,   Nhiều phụ tải điện yêu cầu  nguồn điện có các thông số thay  đổi được:  U=var; f=var;   AC hay DC. 10/22/2010 6 Ưu điểm cơ bản của năng  lượng điện Vì vậy cần có bộ biến đổi điện  – điện, với hiệu suất cao, phục  vụ nhu cầu của các phụ tải  điện. 28/08/2014 4 Điện tử công suất là gì? Bộ biến đổi bán dẫn Vấn đề trung tâm của ĐTCS  BBĐ bán dẫn sử dụng các phần  tử bán dẫn như những khóa  điện tử, nối phụ tải vào nguồn  theo những quy luật nhất định,  theo những khoảng thời gian  nhất định, tạo nên nguồn điện  theo yêu cầu của phụ tải.  Đảm bảo BBĐ có hiệu suất cao  nhất có thể.  Điều này đạt được nhờ  cách sử  dụng các phần tử bán dẫn như  các khóa điện tử:  Thông mạch: uV=0, rV=0;  Không thông: iV=0, rV=.  Phần tử bán dẫn: khóa điện tử  không tiếp điểm, không hạn chế  về tần số đóng cắt.  Điều khiển bởi mạch công suất  nhỏ. 10/22/2010 7 Hiệu suất cao: vấn đề trung  tâm của ĐTCS. ĐTCS: Xu hướng phát triển và phạm vi ứng  dụng Xu hướng Ví dụ  Xu hướng phát triển: dải công  suất trải rộng, từ nhỏ,    Đến lớn và rất lớn.  Ứng dụng: rộng khắp, từ các  thiết bị cầm tay, dân dụng đến  các hệ thống thiết bị công   nghiệp.  Đặc biệt: tham gia vào điều  khiển trong hệ thống năng  lượng.  Vài W đến vài trăm W, thành  phần chính trong các hệ thống  Power management của các thiết  bị nhỏ.  Vài trăm kW đến vài chục MW.  FACTS: hệ truyền tải,  DG – Distributed Generation,  Custom Grid, Renewable Energy  System,  10/22/2010 8 28/08/2014 5 ĐTCS: Xu hướng phát triển và phạm vi ứng  dụng Nguyên nhân phát triển Các dữ liệu thực tế  Sự phát triển của ĐTCS liên  quan đến:  Công nghệ chế tạo các phần tử  bán dẫn công suất đạt được  những bước tiến lớn.  Các tiến bộ vượt bậc trong công  nghệ các phần tử điều khiển và  lý thuyết điều khiển.  MOSFET, IGBT: tần số đóng cắt  cao, chịu được điện áp cao,  dòng điện lớn.  Các chip vi xử lý, vi điều khiển,  DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, mạnh  về điều khiển:  Tích hợp ADC, đầu vào counter,  PWM built‐in;  Truyền thông: I2C, CAN, UART,  10/22/2010 9 Mở đầu  Những vấn đề chung của ĐTCS 10/22/2010 10  Điện tử công suất trong hệ thống năng lượng từ trước đến nay và từ  nay về sau. 28/08/2014 6 Mở đầu Những vấn đề chung của ĐTCS Các loại BBĐ bán dẫn công suất 10/22/2010 11 Chỉnh lưu Nghịch lưu Bi ến  tầ n, BB Đ x un g á p A C C ác  BBĐ xung áp  D C C ông tắc tơ tĩnh Mở đầu  Những vấn đề chung của ĐTCS 10/22/2010 12  Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất. 28/08/2014 7 Mở đầu  Những vấn đề chung của ĐTCS 10/22/2010 13  Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi. Mở đầu  Những vấn đề chung của ĐTCS 10/22/2010 14  Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi. 28/08/2014 8 Mở đầu  Những vấn đề chung của ĐTCS 10/22/2010 15  Các phần tử trong mạch của bộ biến đổi. Mở đầu  Những vấn đề chung của ĐTCS 10/22/2010 16  Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử trong bộ biến đổi. 28/08/2014 9 Mở đầu  Những vấn đề chung của ĐTCS 10/22/2010 17  Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn.  Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Soft‐switching. Chương I Những phần tử bán dẫn công suất  I.1 Những vấn đề chung  I.2 Điôt  I.3 Thyristor  I.4 Triac  I.5 GTO (Gate‐Turn‐off Thyristor)  I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor)  I.7 MOSFET (Metal‐Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)  I.8 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)  I.9 So sánh tương đối giữa các phần tử bán dẫn công suất  Trong chương này cần nắm được:  Nguyên lý hoạt động của các phần tử bán dẫn, ký hiệu trên sơ đồ.  Các thông số cơ bản (Đặc tính kỹ thuật), cần thiết để lựa chọn phần tử cho một ứng dụng  cụ thể.  Các yêu cầu và các mạch phát xung mở van tiêu biểu. 10/22/2010 18 28/08/2014 10 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.1 Những vấn đề chung  Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa  Mở dẫn dòng: iV > 0, uV = 0;  Khóa: iV = 0, uV > 0;  Tổn hao pV = iV*uV ~ 0;  Phần tử bán dẫn nói chung chỉ dẫn dòng theo một chiều.  Muốn tạo ra các van bán dẫn hai chiều hai chiều phải kết hợp các phần tử lại.  Phân loại:  Van không điều khiển, như ĐIÔT,  Van có điều khiển, trong đó lại phân ra:  Điều khiển không hoàn toàn, như TIRISTOR, TRIAC,  Điều khiển hoàn toàn, như BIPOLAR TRANSISTOR, MOSFET, IGBT, GTO.  Đặc tính vôn-ampe của van lý tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều; chịu được điện áp theo cả hai chiều. 10/22/2010 19 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.2 Điôt. Cấu tạo, ký hiệu  Điôt: phần tử bán dẫn cơ bản nhất, có mặt trong hầu hết tất cả các loại sơ đồ BBĐ.  Cấu trúc bán dẫn: cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n  Tính chất cơ bản:  Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot  uAK >0 iD >0; Phân cực thuận.  uAK < 0 iD = 0; Phân cực ngược  Ký hiệu trên sơ đồ  Đặc tính vôn‐ampe lý tưởng 10/22/2010 20 28/08/2014 11 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.2 Điôt. Đặc tính vôn-ămpe  Đặc tính vôn-ampe của điôt thực tế  Giúp giải thích chế độ làm việc thực tế của điôt  Tính toán chế độ phát nhiệt (tổn hao trên điôt) trong quá trình làm việc. 10/22/2010 21 Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt Đặc tính tuyến tính hóa: uD = UD,0 + rD*iD; rD = ΔUD/ΔID Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.2 Điôt. Đặc điểm của điôt công suất  Đặc điểm cấu tạo của điôt công suất (Power diode)  Phải cho dòng điện lớn chạy qua (cỡ vài nghìn ampe), phải chịu được điện áp ngược lớn (cỡ vài nghìn vôn);  Vì vậy cấu tạo đặc biệt hơn là một tiếp giáp bán dẫn p-n thông thường. Trong lớp bán dẫn n có thêm lớp nghèo điện tích n- 10/22/2010 22 Vùng nghèo n‐, làm tăng khả năng chịu điện áp  ngược, nhưng cũng làm tăng sụt áp khi dẫn dòng  theo chiều thuận 28/08/2014 12 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.2 Điôt. Đặc tính đóng cắt  Đặc tính đóng cắt của điôt  Đặc tính động uD(t), iD(t), 10/22/2010 23 Khi mở: điện áp uFr lớn lên đến vài V trước khi trở về giá trị điện áp thuận cỡ 1 – 1,5V do vùng n- còn thiếu điện tích Khi khóa: dòng về đến 0, sau đó tiếp tục tăng theo chiều ngược với tốc độ dir/dt đến giá trị Irrrồi về bằng 0. Điện tích phục  hồi Qrr Thời gian  phục hồi trr Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.2 Điôt. Các thông số cơ bản  Các thông số cơ bản của điôt:  1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua điôt theo chiều thuận: ID (A)  2. Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu đựng được, Ung,max (V)  3. Tần số, f (Hz)  4. Thời gian phục hồi, trr (μs) và điện tích phục hồi, Qrr (C)  5. Nhiệt độ cho phép lớn nhất của tiếp giáp bán dẫn, Tjmax(C)  6. Điện trở nhiệt từ tiếp giáp ra đến vỏ, Rthjc (C/W).  Tại sao lại là dòng trung bình?  Liên quan đến quá trình phát nhiệt. Phải luôn đảm bảo Tj <Tjmaxtrong mọi thời điểm hoạt động.  Cho ví dụ:  Khả năng chịu điện áp: 3 giá trị,  Repetitive peak reverse voltages, URRM  Non repetitive peak reverse voltages , URSM  Direct reverse voltages, UR  Khi tần số tăng lên tổn thất do quá trình đóng cắt sẽ đóng vai trò chính chứ không phải là tổn thất khi dẫn.  Ba loại điôt công suất chính:  1. Loại thường, dùng ở tần số 50, 60 Hz. Không cần quan tâm đến trr.  2. Loại nhanh: fast diode, ultrafast diode.  3. Schottky Diode: không phải là loại có tiếp giáp p-n. Sụt áp khi dẫn rất nhỏ, cỡ 0,4 – 0,5 V, có thể đến 0,1 V. Dùng cho các ứng dụng tần số cao, cần dòng lớn, điện áp nhỏ, tổn thất rất nhỏ. Chỉ chịu được điện áp thấp, dưới 100 V. 10/22/2010 24  0 0 1 t T D D t I i t dt T    28/08/2014 13 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.3 Thyristor. Cấu tạo, ký hiệu  Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp, p- n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1, J2, J3.  Có 3 cực:  Anode: nối với lớp p ngoài cùng,  Cathode: nới với lớp n ngoài cùng,  Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa.  Là phần tử có điều khiển. Có thể khóa cả điện áp ngược lẫn điện áp thuận.  Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot  uAK >0 ; Phân cực thuận.  uAK < 0 ; Phân cực ngược 10/22/2010 25 Ký hiệu thyristor Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của thyristor. Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.3 Thyristor. Đặc điểm cấu tạo 10/22/2010 26 Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương. Lớp n‐ làm tăng khả  năng chịu điện áp 28/08/2014 14 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.3 Thyristor. Đặc tính vôn-ămpe  Đặc tính vôn-ampe của thyristor  1. Đặc tính ngược: UAK < 0.  Rất giống đặc tính ngược của điôt.  2. Đặc tính thuận: UAK > 0.  2.1. Khi UGK = 0,  Cho đến khi UAK < Uf,max thyristor cản trở dòng điện.  Cho đến khi UAK = Uf,max trở kháng giảm đột ngột. Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ như điôt khi dẫn dòng theo chiều thuận.  2.2 Khi UGK > 0,  Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ tại UAK<< Uf,max.  Điện áp chuyển càng nhỏ nếu UGK càng lớn.  Trong mọi trường hợp thyristor chỉ dẫn dòng được nếu IV > Ih, gọi là dòng duy trì (Holding current). 10/22/2010 27 Ur: reverse voltage Uf: forward voltage Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.3 Thyristor. Các thông số cơ bản.  1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristor, IV (A)  Làm mát tự nhiên: một phần ba dòng IV.  Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: hai phần ba dòng IV.  Làm cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng IV.  2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung,max (V)  3. Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, trr (μs)  Thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anôt-catôt của tiristor sau khi dòng iV đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp UAK dương mà tiristor vẫn khóa.  Trong nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, phải luôn đảm bảo thời gian khóa của van cỡ 1,5 - 2 lần trr.  trr phân biệt thyristor về tần số:  Tần số thấp: trr > 50 μs;  Loại nhanh: trr = 5 – 20 μs 10/22/2010 28 trr càng nhỏ, càng đắt 28/08/2014 15 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.3 Thyristor. Các thông số cơ bản.  4. Tốc độ tăng dòng cho phép, dI/dt (A/μs)  Thyristor tần số thấp: dI/dt cỡ 50 – 100 A/μs.  Thyristor tần số cao: dI/dt cỡ 200 – 500 A/μs.  5. Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU/dt (V/μs)  Thyristor tần số thấp: dU/dt cỡ 50 –100 V/μs.  Thyristor tần số cao: dU/dt cỡ 200 – 500 V/μs.  6. Thông số yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển, (UGK, IG)  Ngoài biên độ điện áp, dòng điện, độ rộng xung là một yêu cầu quan trọng.  Độ rộng xung tối thiểu phải đảm bảo dòng IV vượt qua giá trị dòng duy trì Ih  Minh họa hiệu ứng dU/dt tác dụng  như dòng mở van  7. Nhiệt độ cho phép lớn nhất của  tiếp giáp bán dẫn, Tjmax (C).  8. Trở kháng nhiệt từ tiếp giáp ra đến vỏ, Rthjc (C/W). 10/22/2010 29 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.3 Thyristor. Sơ đồ ứng dụng tiêu biểu.  Q1: Mạch khuyếch đại xung;  IT: biến áp xung, có tác dụng cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.  R3: hạn chế dòng collector của Q1.  D1, DZ1: giải thoát năng lượng trên cuộn sơ cấp biến áp xung.  D2: chỉ đưa xung dương ra cực điều khiển của thyristor.  R4: hạn chế dòng vào cực điều khiển.  D3: chống điện áp ngược đặt lên G-K vì tiếp giáp G-K không được chế tạo để chịu điện áp ngược lớn.  C1: tăng khả năng chống nhiễu của mạch điều khiển.  R1, R2: lựa chọn tùy theo biên độ xung điều khiển. Giá trị tiêu biểu: R1=5,6k, R2=2,3k. 10/22/2010 30 28/08/2014 16 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.4 Triac, van bán dẫn hai chiều. 10/22/2010 31 Triac, tương đương cặp van song song ngược. Đặc tính vôn-ampe của triac. Sơ đồ và đồ thị dạng dòng điện, điện áp cho thấy triac tương đương với hai thyristor song song ngược, chứ không phải là một khóa hai chiều đúng nghĩa. Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.4 Triac, điều khiển triac. 10/22/2010 32 Do đặc điểm cấu tạo độ nhạy đối với tín hiệu điều khiển của triac không giống nhau đối với hai chiều điện áp. uA1A2 > 0 uA1A2 <0 I IG > 0 IG < 0 II IG > 0 IG < 0 Mạch khuyếch đại xung tiêu biểu cho triac (chưa tính tới việc cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển). Có thể sử dụng optocoupler để cách ly tín hiệu điều khiển. Phương án tốt hơn cả 28/08/2014 17 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.5 GTO (Gate Turn Off Thyristor). 10/22/2010 33 Mạch điện tương đương hai tranzitor. GTO - Cấu trúc bán dẫn . Để có công suất lớn GTO có cấu tạo gồm các phần tử song song trên cùng một phiến silicon. Ký hiệu (a) và (b). Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.5 GTO, Hai loại GTO. 10/22/2010 34 GTO - Loại có anot ngắn mạch. Giữa tiếp giáp p-n J1 được ngắn mạch bởi các lớp n+. Vì vậy điện áp ngược khi K+, A- chỉ còn là điện áp nhỏ trên tiếp giáp J3, cỡ 15 V GTO – Loại có điôt ngược. Phần GTO giống hệt như hình bên. Tuy nhiên trên tinh thể silicon tích hợp luôn một điôt ngược. Cả hai loại GTO đều được dùng trong các mạch inverter nguồn áp (VSI), trong đó GTO không phải chịu điện áp ngược lớn. 28/08/2014 18 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.5 GTO, dạng điện áp, dòng điện khi điều khiển GTO. 10/22/2010 35 IG dòng điều khiển, có biên độ lớn đến IGM, sau đó duy trì trong suốt giai đoạn mở. Khi khóa lại dòng âm đạt đến biên độ IGQM.tw độ rộng xung mở, tAV độ rộng xung áp âm khi khóa, tGM trễ khi khóa là những thông số quan trọng Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.5 GTO, khuyếch đại xung điều khiển GTO. 10/22/2010 36 Mạch khuyếch đại xung khá phức tạp, đòi hỏi công suất (dòng điện) khá lớn. Dòng điều khiển khi khóa lại phụ thuộc nhiều vào điều kiện khi khóa (dòng anot về không như thế nào). 28/08/2014 19 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.5 GTO, Ứng dụng và những thông số cơ bản 10/22/2010 37 Thông số Giá trị Ghi chú VDRM 4500V Điện áp đỉnh lặp lại (Repetitive peak off voltage) IT(AV) 400 A Dòng trung bình (f=60Hz, dạng sin, góc dẫn 180) di/dt max 1000A/ µs Tốc độ tăng dòng cho phép ITQRM 1000A Giá trị dòng thuận cực đại mà GTO có thể ngắt được (mạch bảo vệ Cs=0,7 µF, Ls=0,3 µH). Thiết bị có thể hỏng nếu nó phải ngắt dòng điện lớn hơn. VRRM 17V Điện áp ngược cực đại cho phép. VTM 4V Max. Điện áp rơi thuận cực đại. IRRM 100mA Max. Dòng dò ngược cực đại IDRM 100mA Max. Dòng dò thuận cực đại khi khóa. tgt 10 µs Max. Thời gian trễ khi mở. tgq 20 µs Max. Thời gian trễ khi ngắt. IGQM 300A Dòng khóa qua cực điều khiển. VGT 1,5V Max. Điện áp trên cực điều khiển G-K tương ứng IGT max. IGT 2500mA Max. Dòng điều khiển khi mở Bảng các thông số cơ bản của GTO FG1000BV-90DA (Mitsubishi) . Tài liệu tham khảo: www.mitsubishichips.com/G lobal/files/manuals/gtothyri stors.pdf . FEATURE AND APPLICATION OF GATE TURN-OFF THYRISTORS. Aug.1998 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.5 GTO, Ứng dụng và những thông số cơ bản  Các loại thyristor khóa lại được bằng cực điều khiển:  IGCT (INTEGRATED GATE COMMUTATED THYRISTOR)  MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR)  MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR)  ETO (EMITTER TURN-OFF THYRISTOR)  Các loại GTO đều được ứng dụng trong dải công suất lớn, điện áp cao, đặc biệt là trong các hệ thống Điện tử công suất điều khiển trong hệ thống điện (FACTS) hoặc trong các biến tần công suất lớn.  Ví dụ biến tần 2000 kW tại nhà máy xi măng But sơn. 10/22/2010 38 28/08/2014 20 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor)  Thể hiện cấu trúc n-p-n (bóng ngược). Các tranzito công suất đều là loại ngược vì tốc độ đóng cắt nhanh hơn.  Dòng điện trong cấu trúc là dòng các điện tử, chạy từ E đến C. Theo quy ước chiều dòng điện, dòng chạy từ C đến E. Điện áp C dương hơn so với E.  Trong chế độ khóa uBE < 0, do đó cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều phân cực ngược.  Trong chế độ mở uBE > 0, do đó cả hai tiếp giáp B-E Và B-C đều phân cực thuận, dòng có thể chạy qua cấu trúc bán dẫn. 10/22/2010 39 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.6 BJT Đặc tính đóng cắt  1: uB< 0, van khóa  2: uB=uB2 > 0, tiếp giáp B-E trở nên phân cực thuận. Dòng bắt đầu chảy qua van khi uBE = 0.  3: thời gian trễ khi mở, iC tăng đến Un/Rt, uCE giảm gần về 0.  4: điện tích lấp đầy hai tiếp giáp, cấu trúc C-E chỉ còn là điện trở thuần Ron.  5: van mở bão hòa.  6: uB < 0, bắt đầu khóa van. Tiếp giáp B-E phân cực ngược, dòng ngược của điôt B-E di tản các điện tích ra khỏi tiếp giáp.  7: dòng iC bắt đầu giảm, uCE bắt đầu tăng.  8: tiếp giáp B-E thực sự đã phân cực ngược, dòng không còn chạy qua được nữa. uBE tiến tới uB1. 10/22/2010 40 • Mạch điện để xét chế độ đóng cắt của BJT. • Các tụ ký sinh CBC, CBE thể hiện ảnh hưởng mạnh đến quá trình đóng cắt. • Gọi là tụ ký sinh vì không có thực, nhưng xuất hiện khi một tiếp giáp p-n bị phân cực ngược (giống như ở điôt). 28/08/2014 21 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.6 BJT Đặc tính tĩnh  Đặc tính ra IC(VCE) với dòng IB=const. Đặc tính tải VCE=VCC-IC*R, đường PQ.  BJT là phần tử điều khiển bằng dòng điện. Hệ số khuyếch đại dòng IC/IB;  Chỉ sử dụng như một khóa điện tử:  Mở bão hòa:IB=kbh*IC/ trong đó kbh =1,5 – 2 lần, gọi là hệ số bão hòa.  Khóa: IB=0. 10/22/2010 41 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.6 BJT Vùng làm việc an toàn (SOA)  QR: đặc tính bão hòa;  RS: đường giới hạn dòng ICmax.  QP: đặc tính cắt;  PU: đường giới hạn UCEmax; Điện áp lớn nhất có thể đặt lên C-E.  UT: giới hạn hiệu ứng đánh thủng “thứ hai”;  TS: giới hạn công suất tức thời lớn nhất trên BJT.  P=VCE*IC < Pmax 10/22/2010 42 28/08/2014 22 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.6 BJT Các đặc điểm quan trọng  BJT là phần tử điều khiển bằng dòng điện, yêu cầu công suất điều khiển lớn.  Nhược điểm này có thể khắc phục nhờ cách nối “Darlington”. Tuy vậy cách nối Darlington lại làm tăng sụt áp VCE dẫn đến tăng tổn hao công suất.  BJT có ưu điểm sụt áp VCE nhỏ nên được chế tạo để đóng cắt dòng điện lớn, đến vài trăm A, điện áp cao đến 1000V.  BJT dần được thay thế bởi IGBT, một phần tử có khả năng đóng cắt như BJT và điều khiển bằng điện áp, giống MOSFET. 10/22/2010 43 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.7 MOSFET Cấu tạo và nguyên lý hoạt động  Cấu trúc bán dẫn:  Cực gốc: S;  Cực máng: D;  Cực điều khiển: G;  Cực gốc nối với lớp p, cực máng nối với lớp n, vì vậy bình thường không có kênh dẫn giữa D và S.  Cực G nằm cách ly trong một lớp oxit kim loại, có điện trở suất rất lớn, cách ly hoàn toàn với cực gốc và cực máng.  Khi VGS dương đến một giá trị nào đó, gọi là ngưỡng, các lỗ p bị đẩy ra, các điện tử được thu hút đến, tạo nên một kênh dẫn giữa D và S. Dòng điện có thể đi qua cấu trúc bán dẫn này.  Dòng điện là dòng các điện tử, các hạt mang điện cơ bản. 10/22/2010 44 Ký hiệu 28/08/2014 23 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.7 MOSFET Đặc tính tĩnh 10/22/2010 45 • Đặc tính ra ID(UDS) với UGS=const,• Khi mở dẫn dòng MOSFET như một điện trở thuần Ron, giá trị bằng độ nghiêng của đường đặc tính ra ở vùng tuyến tính. • Ron có tính chất tăng lên khi nhiệt độ tăng, nghĩa là có hệ số nhiệt dương. Vì vậy rất dễ ghép song song nhiều MOSFET. • Đặc tính điều khiển ID(UGS) với UDS=const.• Ngưỡng điện áp cỡ Ung~4-5V MOSFET mới mở ra. • Nói chung điện áp điều khiển cỡ 0 – 10V. Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.7 MOSFET Đặc tính đóng cắt 10/22/2010 46 • Mạch điện tương đương để xét chế độ đóng cắt của MOSFET. • Các tụ ký sinh CGD, CGS, CDS xác định các quá trình đóng, cắt. • Mặc dù là phần tử điều khiển bằng điện áp nhưng các tụ ký sinh yêu cầu dòng phóng, nạp khi thay đổi mức điện áp. Dòng điện này phải do mạch khuyếch đại xung (Driver) đảm bảo. Đặc tính khi mở ra (a); khóa lại (b). 28/08/2014 24 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.7 MOSFET Tính toán mạch Driver  Tính toán mạch Driver thế nào?  Bước 1: Xác định công suất mạch Driver  (theo H.1)  Năng lượng E cần thiết để nạp điện cho  các tụ ký sinh CGS và CGD  E = QG(UGS,max – UGS,min) (Đối với  MOSFET UGS,min = 0 V; UGS,max = 10 V; QGđiện tích cần thiết).  Công suất: PD=E*fsw .  Bước 2: Xác định dòng đầu ra yêu cầu  của mạch Driver  Dòng đầu ra trung bình IG = IGS + IGD =  QG*fsw  Dòng đầu ra lớn nhất IG,max = (UG,max – UG,min)/(RG + Rin).  Điện trở RG có tác dụng làm chậm ton,  toff, giảm tốc độ tăng áp dUDS/dt (Cần  lựa chọn theo yêu cầu) 10/22/2010 47 Hình H.1 Đồ thị cho  phép xác  định điện  tích nạp QG (đặc tính do  nhà sản xuất  cung cấp) Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.7 MOSFET Tính toán mạch Driver  Ví dụ:   Tính toán công suất và dòng đầu ra yêu cầu mạch Driver cho MOSFET IRFPS40N60K (đặc  tính kỹ thuật đính kèm) với fsw = 100 kHz, UGS,min = 0 V, UGS,max = 10 V.  Từ đồ thị đặc tính, để đưa điện áp UGS từ 0 lên 10 V, cần QG = 210 nC. Năng lượng cần thiết E  = (10 – 0)*210*10‐9 = 2,1*10‐6 J=2,1μJ. Công suất PD = E*fsw = 2,1*10‐6*105 = 0,21 W. Dòng đầu ra  trung bình: IG = 210*10‐9*105 = 0,021 A = 21 mA. Giả sử RG = 10 Ω, bỏ qua Rin. Dòng đầu ra lớn  nhất bằng: IG,max = 10/10 = 1 A. 10/22/2010 48 Đặc tính kỹ thuật  chủ yếu của một  power MOSFET  (có thể tra trên  trang  www.vishay.com) 28/08/2014 25 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.7 MOSFET Nhận xét chung  MOSFET là phần tử bán dẫn công suất ngày càng trở nên quan trọng, vì:  Là phần tử tác động nhanh nhất, tần số đóng cắt lên đến 1MHz.  Có thể nối song song nhiều van một cách dễ dàng để tăng công suất.  MOSFET cực kỳ quan trọng trong các bộ biến đổi cần tần số đóng cắt cao để giảm nhỏ kích thước các phần tử phản kháng như tụ điện và điện cảm. Đặc biệt là trong các bộ nguồn xung, các bộ biến đổi cộng hưởng, các thiết bị mà kích thước nhỏ gọn là một yêu cầu sống còn.  Mặc dù là phần tử điều khiển bằng điện áp nên dòng điều khiển hầu như không đáng kể, tuy nhiên khi đóng cắt cần những mạch khuyếch đại xung chuyên dụng, gọi là các MOSFET Drivers để đảm bảo cung cấp dòng điện cho các tụ ký sinh thay đổi mức điện áp.  Ví dụ về tính toán công suất và dòng điện yêu cầu của mạch Driver là giống nhau đối với MOSFET và IGBT. 10/22/2010 49 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.8 IGBT  IGBT là phần tử kết hợp được ưu điểm của BJT và MOSFET:  Giống BJT nên có thể đóng cắt được dòng điện lớn, chịu được điện áp cao.  Giống MOSFET về điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển nhỏ, tần số đóng cắt cao.  IGBT là cuộc cách mạng quan trọng nhất đối với Điện tử công suất nói chung. Từ khi ra đời và đưa vào ứng dụng IGBT đã làm cho các bộ biến đổi trở nên gọn nhẹ, tính năng cao và được đưa vào những ứng dụng hết sức rộng rãi. 10/22/2010 50 Ký hiệu IGBT và  mạch điện tương  đương như sự  kết hợp giữa BJT  và MOSFET. 28/08/2014 26 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.8 IGBT Đặc tính đóng cắt 10/22/2010 51 • Mạch điện tương đương để khảo sát chế độ đóng cắt. • Cgc, Cge là những tụ ký sinh, ảnh hưởng mạnh nhất đến đặc tính đóng cắt của IGBT. • Quá trình mở của IGBT. • Quá trình khóa của IGBT. • Thời gian khóa ti1, ti2 , trong đó i2gọi là đuôi dòng điện, làm tăng đáng kể thời gian khóa của IGBT. Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.8 IGBT Mạch bảo vệ chống bão hòa 10/22/2010 52 - Phát hiện quá tải bằng cách theo dõi điện áp UCE qua diode, qua phân áp đưa vào chân DESAT. - Mạch logic phát hiện trong thời gian có xung mở nếu có quá tải thì UCE sẽ tăng lên, đến khoảng 5 – 8V.- Nếu khóa van lại ngay có thể làm tốc độ thay đổi dòng quá lớn (di/dt lớn), gây nên quá điện áp trên các điện cảm trong mạch, dẫn đến phá hủy van. - Giải pháp là cho van khóa lại dần dần bằng cách tăng điện trở trong mạch G lên cớ 10 lần bình thường. Van sẽ khóa lại qua chế độ tuyến tính, dòng giảm từ từ, không gây nên quá điện áp. Hình ảnh van khóa lại từ từ qua vùng tuyến tính, hạn chế được tốc độ thay đổi dòng điện di/dt. 28/08/2014 27 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.8 IGBT Nhận xét chung  IGBT có những ưu điểm của BJT và MOSFET.  Thời gian đóng cắt của IGBT dài hơn so với MOSFET. Đặc biệt khi khóa lại, do có hiệu ứng đuôi dòng điện i2, giống như dòng bão hòa của BJT nên thời gian khóa bị kéo dài.  Khác với MOSFET, tín hiệu điều khiển IGBT thường là +15V để mở, -5V để khóa.  IGBT cũng cần các mạch Driver chuyên dụng để tạo tín hiệu điều khiển.  Mạch phát xung điều khiển cũng cần có mạch bảo vệ chống bão hòa (desaturation protection). 10/22/2010 53 I.9 So sánh tương đối giữa các phần tử bán dẫn công suất cơ bản. 10/22/2010 54 28/08/2014 28 Chương I Những phần tử bán dẫn công suất  Cần nắm được:  Điện tử công suất là gì? Phạm vi ứng dụng và tầm quan trọng của Điện tử công  suất trong lĩnh vực biến đổi điện năng.  Vấn đề trung tâm của Điện tử công suất là gì?  Phân biệt giữa các phần tử bán dẫn không điều khiển, điều khiển không hoàn  toàn và điều khiển hoàn toàn.  Nguyên lý làm việc và các thông số cơ bản của van bán dẫn.  Tính toán tổn hao công suất  trên van bán dẫn qua đặc tính tuyến tính hóa.  Đặc điểm của các mạch phát xung cho MOSFET và IGBT.  Tính toán công suất và dòng điện cho mạch MOSFET/IGBT Drivers.  Một số trang WEB của các nhà sản xuất linh kiện bán dẫn công suất:  PROTON Nga,  www.powxn.com Powerrex,  www.irf.com International Rectifier 10/22/2010 55 Hết chương I !!!