Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 2: Linh kiện điện tử công suất

Slides ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
 Chöông 2: LINH KIEÄN ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT 
 2.1 Diod coâng suaát 
 2.2 Linh kieän hoï transistor 
 2.3 Linh kieän hoï thyristor 
Ngaét ñieän ñieän töû: 
linh kieän hay nhoùm linh kieän ñieän töû laøm vieäc trong hai cheá ñoä: 
- Daãn ñieän hay baûo hoaø (ON): suït aùp raát beù, doøng phuï thuoäc vaøo taûi. 
- Khoùa (OFF): doøng qua noù raát beù (≈ 0), xem nhö hôû maïch. 
Linh kieän chính: 
diode, thyristor (SCR), transistor (BJT, MosFET, IGBT). 
2 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
2.1 DIOD COÂNG SUAÁT: 
 Laø diod chòu doøng lôùn, duøng trong ÑTCS 
1. Phaân loaïi: - coù hai loaïi: 
- taàn soá coâng nghieäp (diod chænh löu) 
- diod taàn soá cao 
 coù diod Schotky chòu aùp thaáp, suït aùp thuaän 0.2 – 0.4V. 
2. Ñaëïc tính phuïc hoài cuûa diod (recovery): 
 Töø daãn -> khoùa coù khoaõng daãn doøng ngöôïc 
TAÙC DUÏNG: haïn cheá taàn soá laøm vieäc, quaù aùp ñoùng ngaét 
3 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
2.2 LINH KIEÄN HOÏ TRANSISTOR: 
 Laø nhoùm linh kieän ñoùng ngaét theo ñieàu khieån: BJT, MosFET, IGBT 
G
S
D
 S
G
D
G
C
E 
G
C
E 
MosFET keânh n (Kyù hieäu quen duøng) Kyù hieäu IGBT Maïch nguyeân lyù IGBT 
 - MosFET: laø transistor tröôøng loaïi taêng (enhancement). 
 - IGBT (Insulated Gate BJT) = MosFET ôû ngoû vaøo + BJT ôû ngoû ra. 
 BJT: ñieàu khieån baèng doøng cöïc B MosFET, IGBT: ñieàu khieån baèng aùp VGS VGE 
- IB = 0 => BJT khoùa, khoâng daãn ñieän 
- IB ñuû lôùn (IB > IC / β) BJT baûo hoøa: doøng 
taûi IC chæ phuï thuoäc taûi. 
transistor Darlington coù β töø vaøi traêm 
ñeán vaøi nghìn. 
- VGS ≤ 0 : transistor khoùa 
- VGS > VTH : transistor daãn ñieän 
 (VTH töø 3 .. 5 volt) 
Thöïc teá ñieàu khieån: 
 0/10 – 15V hay ±(10 – 15)V 
4 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
 2.2.1 Ñaëc tính ñoùng ngaét BJT 
- Thí nghieäm ñoùng ngaét taûi R vaø RL: 
VCC
VCC
Ci
Ci
CE
v
CE
v
Q
R1
R2
VBB
Rt
L
Q
Rt
R1
R2
VBB
- töø khoùa Æ baûo hoøa transistor ñi qua traïng thaùi khueách ñaïi 
 => coù toån hao ñoùng ngaét: 
phaùt nhieät taêng cao theo taàn soá laøm vieäc 
 => caàn coù bieän phaùp: 
ñieàu khieån toái öu + maïch hoã trôï 
5 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
 2.2.2 Maïch laùi BJT: 
 Khaùi nieäm veà maïch laùi (driver): 
Ñieàu khieån
voøng kín
Maïch
phaùt xung
Khueách ñaïi
xung
Gheùp
noái
Ñieàu khieån Maïch laùi (driver)
NÑBD
 DRIVER: boä phaän trung gian giöõa HT ñieàu khieån - thieát bò 
 - HT ÑKTÑ: Driver = boä ñieàu khieån ñoäng cô/ taûi coâng suaát 
 - BBÑ: Driver = maïch cung caáp doøng ñieàu khieån NÑBD 
 goàm KÑ coâng suaát + gheùp noái 
 - Gheùp noái: trung gian maïch ÑK – ñoäng löïc 
 Tröïc tieáp – qua trung gian quang / töø 
6 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
 a. Daïng xung ñieàu khieån toái öu: 
 - Doøng cöïc B toái öu: 
I
I
I
cb
dt
ng
t
Bi
Q
R2
VBB
C
D
R
R1
 maïch Snubber 
 Giaûi thích: 
 tuï ñieän kyù sinh CBE caàn naïp/xaû nhanh 
 MosFET, IGBT: cuõng coù quaù trình töông töï vôùi CGS . 
 - Maïch caûi thieän quaù trình khoùa: 
 Tuï C taïo ñöôøng daãn ñieän IC trrong quaù trình khoùa ngaét ñieän 
7 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
 b. Maïch laùi BJT 
 - caùc daïng maïch laùi tröïc tieáp: (a), (b), (d) 
- VCC
VCC
(a) (b) (c) (d)
Q
R2
VBB C
R3
Q1
Q2
R1
R2
D
Q
Q2
Q1
1uF
2.2k
QT
R1
 - Gheùp baèng quang (OPTRON): Duøng nguoàn ñoäc laäp cho maïch laùi. 
OPTRON (Caùch ly tín hieäu 
ÑK) + söûa daïng + khueách 
ñaïi coâng suaát (Gheùp tröïc 
tieáp). 
Maïch ñieän töông töï nhö laùi 
SCR. 
Khueách
ñaïi xung
10 mA
caáp ñieän
OPTO
1
2
4
3
+ _
8 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
 2.2.3 maïch laùi MosFET, IGBT: 
 - Caùc thoâng soá: 
Ngöôõng aùp ñieàu khieån 3 – 5 V 
Tieâu bieåu 0 – 10 V (hay 15 V) 
 +/- 10 V (hay 15 V) 
Giôùi haïn +/- 20 V 
 Maïch cöïc coång 
22k
510/3w
MOSFET N
330p
Dz7V2
0..15V
Xung
D
220
- Maïch laùi MosFET vaø IGBT: 
Taàn soá thaáp: laùi tröïc tieáp töø vi maïch 12V 
Taàn soá cao: Maïch laùi töông töï BJT nhöng caáp ñieän 15 – 20V. 
 Vi maïch laùi: - IR21xx 
 - optron + maïch KÑaïi 
9 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
II.3 LINH KIEÄN HOÏ THYRISTOR: 
 Thyristor: linh kieän coù ≥ 4 lôùp, ñaïi dieän laø SCR 
1. Caáu taïo vaø nguyeân lyù hoaït ñoäng SCR: 
 Kyù hieäu SCR 
Hình II.2.2: Caáu taïo moät 
SCR doøng lôùn ôû tæ leä thöïc 
(a) vaø phoùng to maûnh 
tinh theå baùn daãn (b) 
 Anod: Döông cöïc 
 Katod: AÂm cöïc 
 Gate: Coång hay cöïc ñieàu khieån. 
10 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
 K
N
A
G
N
P
P
Caáu taïo nguyeân lyù Maïch töông ñöông hai BJT 
Hình II.2.1: nguyeân lyù 
SCR 
- Maïch töông ñöông giaûi thích ñöôïc hoaït ñoäng cuûa SCR khi phaân cöïc thuaän 
- Khi môùi caáp ñieän, iG = 0 : SCR khoùa thuaän vaø ngöôïc – IA laø doøng ñieän roø, raát beù, 
côû mA vôùi VAK ≠ 0. 
 - Khi SCR phaân cöïc thuaän VAK > 0, vaø IG > 0, SCR Æ daãn ñieän 
- SCR töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän cho ñeán khi IA Æ 0. 
 2. Ñaëc tính tónh ( volt – ampe ): 
Moâ taû quan heä IA(VAK) vôùi doøng IG khaùc nhau. 
11 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
Hình II.2.3 Sô ñoà thí nghieäm vaø ñaëc tuyeán volt – ampe cuûa SCR 
 * VAK < 0 : Khoùa ngöôïc: coù doøng roø ngöôïc, côû mA. 
Khi VAK < - VRB ta coù hieän töôïng gaõy ngöôïc Æ SCR bò hoûng. 
 * VAK > 0 vaø IG = 0 : Khoùa thuaän: coù laø doøng roø thuaän, côû mA. 
Khi VAK > VFB ta coù hieän töôïng gaõy thuaän: SCR Æ daãn ñieän. 
 Ñònh möùc aùp cuûa SCR caàn lôùn hôn caùc giaù trò gaõy vôùi heä soá an toaøn > 2. 
 * Quaù trình kích: Khi phaân cöïc thuaän, neáu IG taêng, VFB giaûm daàn. 
=> Kích doøng IG ñuû lôùn ñeå SCR daãn ñieän baát chaáp aùp phaân cöïc thuaän. 
 * Vuøng daãn ñieän: suït aùp VAK = VF khoaûng 1 - 2 volt. 
12 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
Coù 2 thoâng soá doøng: IL : doøng caøi, IH : doøng giöõ 
 2. Ñaëc tính ñoäng ( ñoùng ngaét ): 
 a. Ñaëc tính môû: ( turn on ) 
 - Thôøi gian treã ton 
 - Giôùi haïn toác ñoä taêng doøng diA/dt vì coù thôøi gian lan truyeàn cuûa vuøng daãn ñieän 
Hình II.2.4.a. Ñaëc 
tính ñoäng : môû 
vaø khoùa cuûa SCR 
(2)(1) 
13 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
Hình II.2.4.b. Caáu taïo SCR cöïc 
coång ñeå caûi thieän ñaëc tính 
ñoäng 
 b. Ñaëc tính khoaù: ( turn off ) 
 - Thôøi gian ñaûm baûo taét toff toff = [ 10 .. 50 ] usec vôùi SCR taàn soá cao 
 [ 100 .. 300 ] usec vôùi SCR chænh löu. 
- Coù giôùi haïn toác ñoä taêng du/dt ñeå traùnh töï kích daãn. 
- Coù quaù trình daãn doøng ngöôïc khi khoùa (ñaët aùp aâm) nhö diod (ñaëc tính phuïc hoài 
ngöôïc). 
- Caàn coù maïch baûo veä choáng töï kích daãn (hình II.2.5). 
14 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; 
R1 = 20 – 100 ohm; C1 = 0.1 – 0.5 uF. 
Hình II.2.5: Maïch snubber R1C1 vaø RC cöïc coång baûo veä 
SCR khoûi caùc cheá ñoä kích daãn khoâng mong muoán. 
 3. Ñaëc tính coång: (hay kích khôûi coång) 
15 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
Bao goàm: 
 (1) IG(VG) tieâu bieåu, 
 (2) IG(VG) öùng vôùi ñieän trôû RG beù, 
 (3) IG(VG) öùng vôùi ñieän trôû RG lôùn. 
Caùc thoâng soá giôùi haïn ( cöïc ñaïi ): 
 doøng IGmax, 
 aùp VGmax vaø 
 coâng suaát tieâu taùn trung bình PGmax 
(phuï thuoäc beà roäng xung kích SCR). 
 Caùc thoâng soá giôùi haïn (beù nhaát) cho ñaûm 
baûo kích: VGT, IGT . 
 Hình II.2.6: Ñaëc tính coång SCR 
 Ñieåm laøm vieäc cuûa cöïc coång SCR phaûi naèm trong caùc giôùi haïn treân. 
16 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
4. Caùc linh kieän khaùc trong hoï thyristor: 
Thyristor laø hoï linh kieän coù ít nhaát 4 lôùp vôùi SCR laø ñaïi dieän. 
Thyristor coù khaû naêng töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän (kích daãn). 
Moät soá Thyristor ñöôïc cheá taïo ñeå coù theå ñieàu khieån ñöôïc quaù trình khoaù laøm thaønh 
ngaét ñieän ñieän baùn daãn moät chieàu. 
 Hình II.2.7: Kyù hieäu cuûa caùc linh kieän hay gaëp cuûa hoï Thyristor. 
 a. DARLISTOR: SCR coù caáu taïo noái taàng (cascade) ñeå taêng heä soá khueách ñaïi doøng 
IA / IG 
b. DIAC: 
 c. LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích baèng tia saùng. 
 d. GTO: ( Gate turn off SCR, SCR taét baèng cöïc coång ). 
 GTO cho pheùp ngaét SCR baèng xung aâm ôû cöïc coång. Töø maïch töông ñöông hai BJT 
17 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
(hình 1.2a), khaû naêng naøy coù theå ñöôïc döï ñoaùn. 
 e. TRIAC: Laø hai SCR song song ngöôïc, ñöôïc cheá taïo vôùi doøng ñònh möùc ñeán haøng 
ngaøn ampe. 
- IG > 0 hay IG < 0 toå hôïp vôùi 
 VT > 0 hay VT < 0 cho ta 
4 kieåu hoaït ñoäng 
 Hình II.2.8 Ñaëc tuyeán V – I cuûa TRIAC vaø DIAC 
 Hình II.2.9: Hình daïng beân ngoaøi 
cuûa moät soá TRIAC (SCR cuõng töông töï ) 
 Nhöôïc ñieåm TRIAC: 
 - deã bò töï kích ôû nhieät ñoä moái 
noái cao 
 - coù giôùi haïn du/dt raát thaáp, 
18 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
khoù laøm vieäc vôùi taûi coù tính caûm. 
5. Maïch laùi Thyristor: 
 a. Gheùp tröïc tieáp: 
Maïch laùi = maïch 
khueách ñaïi doøng 
6V
XUNG DK
SCR
R?
RC1
0.1 uF
R5
2.2 ohm
R2
220
R3
100
R1
100
R4
2.2 ohm
Q1
C1061
 b. Gheùp quang: duøng OPTRON caùch ly Ñieàu khieån - Ñoäng löïc 
19 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
OPTRON (Optocoupler) 
OPTRON Triac hoï MOC 
OPTRON thoâng thöôøng coù 
thôøi gian treã lôùn hôn vaøi micro 
giaây => taàn soá toái ña ñeán vaøi 
chuïc KHz. 
6V
OPTO1 1
2
4
3 Q1
Q2
1K
2.2 ohm
2.2 ohm
R1
4K7
4k7
R2
100
4K7 SCR
Sô ñoà kích SCR duøng OPTRON thoâng thöôøng. 
 Ñaëc tính optron PS2521 (NEC) hay TLP521 (TI) 
20 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
 Ñaëc tính optron TRIAC hoï MOC cuûa Motorola 
 c. Gheùp bieán aùp: bieán aùp xung (BAX) 
nguyeân taéc BAX laø xung phaûi ñuû heïp: 
thôøi gian coù xung ñuû nhoû – thôøi gian nghæ ñuû daøi 
21 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 
Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 
VCC
D2
D1
3k3
3k3
3k3
Q1
BAX
3.3 ohm
D2
47n
100
SCR
 Maïch laùi xung heïp