Chương I : Khái quát về Điện Tử Công Suất 6 IV. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - Với công suất nhỏ hơn 1 W: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất nhỏ như điện thoại. - Với công suất nhỏ hơn 1kW: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất như máy tính. - Với công suất từ 1kW-1MW: dùng cho điều khiển máy điện, lò cao tần, hệ thống nạp ác quy, hệ thống chiếu sáng, bù công suất phản kháng.
- Với công suất 1000MVA: dùng cho truyền tải điện DC đi xa. Ứng dụng của điện tử công suất Chương II : Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản 7 Chương II: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN Các linh kiện bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Trạng thái linh kiện dẫn điện (đóng) là trạng thái linh kiện có tác dụng như một điện trở rất nhỏ (gần bằng không). Trạng thái linh kiện không dẫn điện (ngắt) là trạng thái linh kiện có tác dụng trong mạch như một điện trở lớn vô cùng.
Linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng không và ở trạng thái không dẫn điện (ngắt), dòng điện qua nó bằng không. PHÂN LOẠI LINH KIỆN BÁN DẪN: 1. Linh kiện bán dẫn điều khiển được: Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc cùa mình từ trạng thái không dẫn điện (ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển của linh kiện, gọi là linh kiện có tính điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới dạng dòng điện hay điện áp.
Ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT,MCT, MT SCR, TRIAC. - Linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn - linh kiện đóng ngắt cưỡng bức (forced commutated device): là linh kiện có thể điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng tín hiệu điều khiển, ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT,MT. - Linh kiện bán dẫn điều khiển đóng: là linh kiện chỉ có thể điều khiển đóng bằng tín hiệu điều khiển mà không điều khiển ngắt được: SCR, TRIAC 2. Linh kiện bán dẫn không điều khiển được: là những linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của linh kiện xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất.
Ví dụ: diode, diac. Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản Chương II : Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản 8 Hình 2. Điện áp và dòng điện định mức của các linh kiện bán dẫn công suất 3. Lớp tiếp xúc công nghệ P-N: - Bằng các biện pháp công nghệ Epitaxi (Plana khuếch tán) người ta tạo ra được vùng chuyển tiếp tính dẫn điện từ loại p sang loại n gọi là tiếp xúc p-n.
Đây là dạng tiếp xúc phi tuyến có tính dẫn điện không đối xứng theo hai chiều điện áp đặt vào. Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n. Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng lỗ hổng gọi là chất bán dẫn tạp chất loại p. - Bình thường khi chưa có tác động bên ngoài trong vùng tiếp xúc một phần điện tử từ loại n sẽ dịch chuyển sang loại p và ngược lại một phần phần tử lỗ hổng từ loại p sẽ dịch chuyển sang loại n.
Điện tử và phần tử mang điện lỗ hổng bù lẫn nhau và Chương II : Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản 9 tạo ra vùng mang điện thấp - quá trình này được gọi là quá trình tổ hợp lại và tồn tại cho đến khi điện tử từ vùng n bị đẩy bởi i-ôn âm vùng p và phần tử mang điện lỗ hổng vùng p bị đẩy bởi i-ôn dương vùng n. Lớp bán dẫn p-n II. DIODE CÔNG SUẤT 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động : - Diode là linh kiện bán dẫn ứng dụng trong điện tử công suất (ĐTCS) có cấu tạo đơn giản nhất, bao gồm 2 điện cực Anode (A) và K (Cathode) và có chứa một lớp tiếp xúc p-n.
Diode là l linh kiện bán dẫn không điều khiển. Cấu tạo của diode - Khi điện thế cực Anode lớn hơn so với điện thế cực Cathode, lớp tiếp xúc phân cực thuận và dòng điện thuận IF chạy theo chiều như hình vẽ, lúc này điện áp trên linh kiện sẽ có giá trị rất nhỏ (<1V), đối với linh kiện lý tưởng giá trị này bằng 0. - Khi điện cực dương của nguồn điện được gắn vào cực Anode và cực âm vào cực Cathode ta có tiếp xúc phân cực thuận. Điện tử từ cực âm vào vùng n, vùng tiếp xúc, một phần kết hợp với phần tử mang điện lỗ hổng phần còn lại qua vùng p tới cực dương của nguồn điện: Diode dẫn.
Diode khi phân cực thuận Chương II : Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản 10 - Ngược lại, khi điện thế cực Anode nhỏ hơn so với điện thế cực Cathode, diode phân cực ngược linh kiện không dẫn, dòng điện ngược chạy qua diode được gọi là dòng rò, đối với linh kiện lý tưởng giá trị này bằng 0. - Khi điện cực dương của nguồn điện được gắn vào cực Cathode và cực âm vào cực Anode ta có tiếp xúc phân cực ngược. Chỉ có một số ít điện tử từ vùng p dịch chuyển qua vùng tiếp xúc, một phần kết hợp với phần tử mang điện lỗ hổng phần còn lại qua vùng n tới cực dương của nguồn: Diode ngắt. Diode khi phân cực ngược Hình 2.
Ký hiệu và hình dạng diode công suất 2. Đặc tính Volt-Ampe của diode: Hình 2. Đặc tính V-A của diode Đặc tính V-A của diode được chia làm 3 vùng: Chương II : Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản 11 - Vùng phân cực thuận: Khi 0<VD<VTD: Diode bắt đầu dẫn dòng điện qua diode ID rất nhỏ. Khi VD>VTD dòng điện tăng nhanh và diode đạt trạng thái dẫn điện ổn định.
VTD gọi là điện áp đóng. - Vùng phân cực ngược: khi VD<0; dòng điện qua diode giảm dần về 0, dòng điện qua diode không tắt ngay và tiếp tục dẫn theo chiều ngược lại với tốc độ giảm ban đầu. Sau một thời gian ngắn, khả năng dẫn điện theo chiều nghịch bị mất. - Vùng đánh thủng: khi VD<-VBR: Trong đó VBR là điện áp đánh thủng (Breakdown voltage), làm cho diode bị phá hủy.
Đặc tính động của diode: - Khi diode dẫn tương đương như một công tắc đóng: điện áp rơi trên linh kiện UF nhỏ, dòng điện thuận IF qua linh kiện lớn. - Khi diode ngắt tương đương như một công tắc ngắt: điện áp khóa trên linh kiện lớn, dòng rò qua linh kiện rất nhỏ. - Thời gian đóng diode (Forward recovery time) tFR : là thời gian cần thiết để diode có thể dẫn dòng tải khi điện áp thuận đặt trên hai đầu cực của diode. - Thời gian phục hồi tính nghịch (Reverse recovery time) tRR : là tổng khoảng thời gian từ ta khi dòng điện qua diode cắt 0 cho đến khi dòng điện qua diode bằng dòng IRR (dòng điện ngược lớn nhất), và khoảng thời gian tb khi dòng điện qua diode giảm từ IRR đến 0.
Đặc tính động của diode Chương II : Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản 12 - Tại thời điểm t=0, điện áp nguồn tăng và đạt giá trị dương Um. Do quán tính của quá trình khuyếch tán dòng qua diode không xuất hiện một cách tức thời mà tăng dần trong khoảng thời gian t1=tFR. Cùng với việc tăng dòng điện qua diode, điện áp trên hai đầu cực của diode giảm, sau thời gian t1 đạt giá trị UF. Tại thời điểm t1 dòng điện trong mạch xác lập, khi đó dòng qua diode bằng IS.
- Trạng thái đó được giữ cho đến thời điểm t=t2 khi dấu của điện áp nguồn thay đổi. Tuy nhiên điện tích được tích tụ ở vùng tiếp xúc p-n giữ cho diode ở trạng thái đóng một thời gian, khi đó dòng điện giảm dần về 0, thực tế xảy ra hiện tượng dung giải điện tích. - Đến thời điểm t4 điện áp trên diode bằng 0 sau đó tăng theo chiều âm, làm cho dòng điện ngược qua diode tăng đến giá trị IRR, sau đó quá trình phục hồi tính nghịch của diode được tiếp tục đến thời điểm t5, khi dòng điện qua diode giảm từ IRR đến 0. Quá trình ngắt diode kết thúc.
Đến thời điểm đó dòng điện qua diode gần bằng 0 còn điện áp trên hai đầu cực đạt giá trị -Um. Như vậy thời gian phục hồi tính nghịch được tính bằng công thức: tRR = ta + tb (2.2) dt - Thời gian phục hồi tính nghịch thường nhỏ hơn 1µs. Đại lượng này trở lên quan trọng cho các ứng dụng có tần số làm việc cao, như các bộ biến đổi DC/DC, AC/DC. - Từ đồ thị hình 2.9 ta thấy tổn hao công suất trong diode sẽ tăng đột ngột khi đóng và đặc biệt khi ngắt.
Để giảm những tổn hao đó và đảm bảo quá trình làm việc an toàn cho diode người ta sử dụng sơ đồ đặc biệt - mạch snubber. Mạch snubber đơn giản nhất là sơ đồ bao gồm điện trở R mắc nối tiếp với một tụ. Mạch này được gắn song song với anode và cathode. Thông số cơ bản của diode: - Dòng điện định mức IFmax: dòng điện thuận cực đại chạy qua diode mà không làm cho nhiệt độ của nó không vượt quá nhiệt độ cực đại cho phép.
- Điện áp định mức: là điện áp ngược cực đại mà diode chịu được VBR. - Điện áp thuận VF (Forward voltage): là điện áp giữa hai đầu cực A-K khi diode dẫn. - Điện áp đánh thủng VBR (Breakdown voltage). - Dòng điện ngược IRR: dòng điện qua diode khi điện áp ngược nhỏ hơn điện áp đánh thủng.
Chương II : Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản 13 Áp định mức lớn Dòng trung bình Loại VF (đặc trưng) trr(max) nhất định mức Diode phục hồi nhanh 1N3913 400V 30A 1.1V 400ns SD453N25S20PC 2500V 400A 2.2V 3s Diode phục hồi đặc biệt nhanh MUR815 150V 8A 0.6V 60ns Diode Schottky MBR6030L 30V 60A 0. Các thông số đặc trưng của diode III. TRANSISTOR CÔNG SUẤT (POWER TRANSISTOR) 1. Cấu tạo – nguyên lý hoạt động: Hình (a): loại n-p-n Hình (b): loại p-n-p Hình 2.
Cấu tạo-ký hiệu BJT Chương II : Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản 14 1. Cấu tạo : Bipolar junction transistor (BJT) cấu trúc bởi ba lớp p-n-p hoặc n-p-n. Tuy nhiên dạng n-p-n được sử dụng nhiều hơn vì loại này có kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện.