Bài giảng Điện tử công suất - Chương 2: Các linh kiện bán dẫn - Lê Minh Phương

1/21/2013 
1 
1 
Ho Chi Minh City University of 
Technology 
PGS.TS Lê Minh Phương 
Khoa Điện –Điện Tử 
Trường Đại Học Bách Khoa 
TP HỒ CHÍ MINH 
Contact info: 
Address: 268 Lý Thường Kiệt, P.14,Q.10, TP Hồ Chí Minh 
Telephone: 84-08-38647256 (5722) 
Mobile: 0988572177 
E-mail: lmphuong@hcmut.edu.vn; ivanphuong@yahoo.com 
2 
Power Electronics 
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 
PGS.TS Lê Minh Phương 
Khoa Điện –Điện Tử 
Trường ĐHBK TPHCM 
TPHCM 
2012 
1/21/2013 
2 
3 
1. Tổng quan về Điện tử công suất 
2. Các linh kiện bán dẫn 
3. Mô phỏng Matlab-Simulink 
4. Bộ chỉnh lưu 
5. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 
6. Bộ biến đổi điện áp một chiều 
7. Bộ nghịch lưu –biến tần 
 Contents – Nội dung 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
4 
1. MÔ PHỎNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG 
MATLAB/SIMULINK - Lê Minh Phương, Phan 
Quốc Dũng – Nhà xuất bản ĐHQG 2011 
2. POWER ELECTRONICS HANDBOOK – 
Muhammad H. Rashid 
3. MATLAB/SIMULINK - Mathworks. 
4. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 – Nguyễn Văn Nhờ 
Nhà xuất bản ĐHQG 
 References 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
1/21/2013 
3 
5 
Power Electronics 
Chương 2 
CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 
PGS.TS Lê Minh Phương 
Khoa Điện –Điện Tử 
Trường ĐHBK TPHCM 
TPHCM 
2012 
6 
1. Diodes 
2. Bipolar Junction Transistor (BJT) 
3. Metal Oxide Semiconductor Effect Transistor 
(MOSFET) 
4. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) 
5. Thyristor 
6. Gate Turn Of Thyrisor (GTO) 
7. Triode Alternative Current (TRIAC) 
 Contents – Nội dung 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
1/21/2013 
4 
7 
Các linh kiện bán dẫn cơ bản 
 Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
8 
Đặc điểm: 
 Chỉ làm việc ở chế độ đóng ngắt switching (Đóng –Ngắt) 
 Khi đóng (ON): 
 Cho dòng điện lớn nhất chạy qua 
 Điện áp trên linh kiện nhỏ (Vf  0). 
 Điện trở Rf  0 
 Khi ngắt (OFF): 
 Dòng điện thuận If =0 
 Điện trở Rr   
 Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
1/21/2013 
5 
9 
So sánh công suất các linh kiện bán dẫn 
 Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
10 
The PN Junction 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Steady State 
When no external source is connected to the pn junction, diffusion 
(khuyếch tán) and drift (tái kết) balance each other out for both the 
holes and electrons 
pace Charge Region - Depletion region (vùng hiếm). 
This region includes the net positively and negatively charged regions. 
The space charge region does not have any free carriers. 
M tallurgical Junction: 
The i terface where the p- and -type materials meet. 
Na & Nd: 
Vùng mang điện tích âm và điện tích dương. 
1/21/2013 
6 
11 
Diodes 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Diode là linh kiện bán dẫn không điều khiển có cấu tạo đơn giản nhất, 
gồm một lớp tiếp xúc p-n, gồm 2 điện cực Anode (A) và K (Cathode) 
The diode is designed to allow current to flow in only one direction. The 
perfect diode would be a perfect conductor in one direction (forward 
bias) and a perfect insulator in the other direction (reverse bias).In many 
situations, using the ideal diode approximation is acceptable. 
12 
Diodes 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
When an external voltage is applied, the p-n junction is considered 
biased. There are two types of biasing: Forward bias and Reverse bias. 
Forward Bias -Phân cực 
thuận,(UAK>Vf): 
When the applied voltage increases, 
current starts to flow across the junction. 
1/21/2013 
7 
13 
Diodes 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Reverse Bias -Phân cực ngược, UAK<0: 
Diode ngắt: 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, tạo ra dòng điện rò (leakage 
currrent). Khi số tất cả các phần tử mang điện dịch chuyển hết thì dòng 
giảm về 0. 
14 
Đặc tính V-A 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
 VD = Bias Voltage 
 ID = Current 
through Diode 
 Ileakage = Dòng rò 
 VBR = Breakdown 
Voltage 
 Vf = Barrier 
Potential Voltage 
1/21/2013 
8 
15 
Đặc tính động 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Thời gian đóng diode - 
Forward recovery time tFR: 
Thời gian cần thiết để diode 
có thể dòng qua diode tăng 
đến giá trị xác lập khi điện 
áp thuận đặt trên hai đầu 
cực của diode 
Thời gian phục hồi tính 
nghịch – Reverse 
Revecovery Time tRR: 
Thời gian cần thiết để diode 
phục hồi khả năng chịu áp 
khoá khi quá trình dẫn thuận 
chấm dứt 
baRR ttt 
16 
Các dạng diode 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Silicon rectifier diode – diode chỉnh lưu 
- Có khả năng mang dòng điện lớn. 
- Điện trở thuận nhỏ (m) và điện trở ngược lớn (M) 
- Ứng dụng trong Power supplies, UPS, rectifiers/inverters, 
1/21/2013 
9 
17 
Các dạng diode 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Small signal diode: 
- Có ứng dụng rộng rãi nhất 
- Ứng dụng trong các mạch như : switch in rectifiers, limiters, 
capacitors, mạch tạo tín hiệu 
18 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Schottky Diodes: 
- These diodes are designed to have a very fast switching time which 
makes them a great diode for digital circuit applications. 
- They are very common in computers because of their ability to be 
switched on and off so quickly. 
1/21/2013 
10 
19 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Zener diode: 
- Ứng dụng chính là tạo điện áp tham chiếu và điều chỉnh 
- Khả năng duy trì điện áp phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ và điện trở 
20 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Photo diode: 
- Khi tiếp xúc (junction) bị tác động của ánh sáng, các photon tạo ra 
điện tích lỗ hổng và tạo ra photocurrent nhờ quá trình dịch chuyển. 
-Photo-diode hoạt động như một nguồn dòng, và tăng khi cường độ 
ánh sáng tăng. 
1/21/2013 
11 
21 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Light emitting diode (LED): 
Light-emitting diodes được thiết kế với vùng dịch chuyển lớn sao cho 
các hạt khi qua vùng nghèo (depletion region) sẽ tạo ra photon ánh 
sáng. LED với vùng dịch chuyển năng lượng cao sẽ tạo ra ánh sáng 
nhìn thấy. LED với vùng dịch chuyển năng lượng cao sẽ tạo ra ánh 
sáng . LED với vùng dịch chuyển năng lượng thấpsẽ phát ra bức xạ 
hồng ngoại 
23 
Typical Diode Ratings 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Voltage Ratings: 
Repetitive peak inverse voltage (VRRM ): 
The non-repetitive voltage (VRM): khả năng chịu điện áp ngược 
Current Ratings 
The datasheet of a diode normally specifies three different current 
ratings: 
(1) the average current, 
(2) the rms current, and 
(3) the peak current. 
1/21/2013 
12 
24 
Typical 
Diode 
Ratings 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
25 
Snubber Circuits for Diode 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Snubber circuits cần thiết khi diode chuyển mạch, nó giúp bảo vệ 
diode khỏi quá điện áp phát sinh trong quá trình are essential for 
diodes used in switching reverse recovery 
1/21/2013 
13 
26 
Typical Applications of Diodes 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
27 
Typical Applications of Diodes 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
1. Dùng trong mạch chỉnh lưu 
1/21/2013 
14 
28 
Typical Applications of Diodes 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
1. Dùng trong mạch chỉnh lưu 
31 
Power Bipolar Transistors (BJT) 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
The bipolar junction transistor (BJT) consists of a three-region 
structure of n-type and p-type semiconductor materials, it can be 
constructed as npn as well as pnp. 
 Gồm 3 điện cực Collector (C), Emitter (E) và Base (B). 
Mạch công suất nối giữa C-E, mạch điều khiển nối giữa cổng B-E. 
 Tồn tại hai dạng BJT: n-p-n và p-n-p. 
BJT là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng 
dòng điện. 
1/21/2013 
15 
32 
Power Bipolar Transistors (BJT) 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
38 
The NPN Transistor 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
1/21/2013 
16 
40 
Nguyên lý làm việc 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
Khi VBE>0 lớp tiếp xúc p-n giữa Base và 
Emiter phân cực thuận, nhờ đó điện tử 
dịch chuyển từ Emiter đến Base. Vì 
vùng Base có cấu trúc rất mỏng nên chỉ 
có một phần nhỏ điện tử kết hợp với 
điện tích dương ở vùng này. 
Lúc này VCE>0 nên Phần lớn điện tử sẽ 
chạy đến vùng phân cực ngược Base – 
Collector và tới cực Collector làm BJT 
dẫn. 
Trạng thái đóng ngắt 
UCE>0, IB>0  BJT đóng (dẫn) 
UCE>0 ,IB<=0  BJT ngắt 
n
n
pB
C
E
UCE
e
le
c
tr
o
n
s
holes
h
o
le
s
IC
IB
41 
Đặc tính V-A 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
2. Active region –
Constant current 
The active region is 
horizontal portion of 
curves . It shows 
“constant” iC current, 
because the collector 
current does not 
change significantly with 
VCE for a given iB. 
Those portions are 
used only for small 
signal transistor 
operating as linear 
amplifiers 
1. Cut-off Region 
Here the operating 
conditions of the 
transistor are zero 
input base current (IB), 
zero output collector 
c rr nt (IC) and 
maximum collector 
volt ge (VCE ). 
Theref re the 
transistor is switched 
"Fully-OFF". 
3. Sa urati n 
Region 
Here the transistor 
will b biased so: the 
collector current is 
maximum in the 
minimum collector 
emitter voltage drop. 
Therefore the 
transistor is switched 
"Fully-ON". 
1/21/2013 
17 
43 
The Transistor as a Switch 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
1. Cut-off Region 
Then we can define the "cut-off region" or "OFF 
mode" when using a bipolar transistor as a 
switch as being, both junctions reverse biased, 
UBE < 0.7V and IC = 0. 
Base-Emitter voltage VBE < 0.7V 
Base-Emitter junction is reverse 
Base-Collector junction is reverse 
No Collector current flows (IC = 0) 
VOUT = VCE = VCC = "1” 
Transistor is "fully-OFF" (Cut-off 
region) 
44 
The Transistor as a Switch 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
2. Saturation Region 
Then we can define the "saturation region" or 
"ON mode" when using a bipolar transistor as a 
switch as being, both junctions forward biased, 
UBE > 0.7V and IC = Maximum 
The input and Base are connected to VCC 
Base-Emitter voltage VBE > 0.7V 
Base-Emitter junction is forward biased 
Base-Collector junction is forward biased 
Transistor is "fully-ON" (saturation region) 
Max Collector current flows (IC = Vcc/RL) 
VCE = 0 (ideal saturation) 
VOUT = VCE = "0" 
Transistor operates as a "closed switch" 
1/21/2013 
18 
45 
The Transistor as a Switch 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
46 
Dynamic Switching Characteristics 
Power Electronic Devices 
PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 
td thời gian trễ đóng 
tr thời gian tăng dòng 
ton=td+tr thời gian đóng 
ts Thời gian trễ ngắt 
tf Thời gian giảm dòng 
Toff=ts+tf thời gian ngắt 
1/21/2013 
19 
58 
Power Electronics 
 For Building 
THANK YOU 
FOR YOUR ATTENTION 
 
1/21/2013