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

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

1. Slides ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 2 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Chöông 2: LINH KIEÄN ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT 2.1 DIOD COÂNG SUAÁT: Laø diod chòu doøng lôùn, duøng trong ÑTCS 2.1 Diod coâng suaát 1. Phaân loaïi: - coù hai loaïi: 2.2 Linh kieän hoï transistor - taàn soá coâng nghieäp (diod chænh löu) 2.3 Linh kieän hoï thyristor - diod taàn soá cao coù diod Schotky chòu aùp thaáp, suït aùp thuaän 0.2 – 0.4V. Ngaét ñieän ñieän töû: 2. Ñaëïc tính phuïc hoài cuûa diod (recovery): linh kieän hay nhoùm linh kieän ñieän töû laøm vieäc trong hai cheá ñoä: Töø daãn -> khoùa coù khoaõng daãn doøng ngöôïc - 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). TAÙC DUÏNG: haïn cheá taàn soá laøm vieäc, quaù aùp ñoùng ngaét
2. 3 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 4 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 2.2 LINH KIEÄN HOÏ TRANSISTOR: 2.2.1 Ñaëc tính ñoùng ngaét BJT Laø nhoùm linh kieän ñoùng ngaét theo ñieàu khieån: BJT, MosFET, IGBT - Thí nghieäm ñoùng ngaét taûi R vaø RL: C VCC D D C VCC G L G i G G C S Rt S E E i Rt C MosFET keânh n (Kyù hieäu quen duøng) Kyù hieäu IGBT Maïch nguyeân lyù IGBT VBB Q VBB Q - MosFET: laø transistor tröôøng loaïi taêng (enhancement). R2 v R2 v R1 CE R1 CE - 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 - töø khoùa Æ baûo hoøa transistor ñi qua traïng thaùi khueách ñaïi - IB = 0 => BJT khoùa, khoâng daãn ñieän - VGS ≤ 0 : transistor khoùa - IB ñuû lôùn (IB > IC / β) BJT baûo hoøa: doøng - VGS > VTH : transistor daãn ñieän => coù toån hao ñoùng ngaét: taûi IC chæ phuï thuoäc taûi. (VTH töø 3 5 volt) phaùt nhieät taêng cao theo taàn soá laøm vieäc transistor Darlington coù β töø vaøi traêm Thöïc teá ñieàu khieån: => caàn coù bieän phaùp: ñeán vaøi nghìn. 0/10 – 15V hay ±(10 – 15)V ñieàu khieån toái öu + maïch hoã trôï
3. 5 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 6 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 2.2.2 Maïch laùi BJT: a. Daïng xung ñieàu khieån toái öu: Khaùi nieäm veà maïch laùi (driver): - Doøng cöïc B toái öu: i B D VBB R Icb Q R2 Ñieàu khieån Maïch Khueách ñaïi Gheùp I C voøng kín phaùt xung xung noái NÑBD dt R1 t Ñieàu khieån Maïch laùi (driver) maïch Snubber Ing DRIVER: boä phaän trung gian giöõa HT ñieàu khieån - thieát bò Giaûi thích: - HT ÑKTÑ: Driver = boä ñieàu khieån ñoäng cô/ taûi coâng suaát tuï ñieän kyù sinh CBE caàn naïp/xaû nhanh - BBÑ: Driver = maïch cung caáp doøng ñieàu khieån NÑBD MosFET, IGBT: cuõng coù quaù trình töông töï vôùi CGS . goàm KÑ coâng suaát + gheùp noái - Maïch caûi thieän quaù trình khoùa: - Gheùp noái: trung gian maïch ÑK – ñoäng löïc Tuï C taïo ñöôøng daãn ñieän IC trrong quaù trình khoùa ngaét ñieän Tröïc tieáp – qua trung gian quang / töø
4. 7 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 8 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi b. Maïch laùi BJT 2.2.3 maïch laùi MosFET, IGBT: - caùc daïng maïch laùi tröïc tieáp: (a), (b), (d) - Caùc thoâng soá: Maïch cöïc coång VCC Ngöôõng aùp ñieàu khieån 3 – 5 V D 1uF Q2 MOSFET N C Q1 220 330p VBB Q Q Q R2 T Xung R3 R2 Q2 2.2k Q1 Tieâu bieåu 0 – 10 V (hay 15 V) 0 15V 510/3w R1 D Dz7V2 22k R1 +/- 10 V (hay 15 V) (a) (b) (c)- VCC (d) Giôùi haïn +/- 20 V - Gheùp baèng quang (OPTRON): Duøng nguoàn ñoäc laäp cho maïch laùi. OPTRON (Caùch ly tín hieäu caáp ñieän - Maïch laùi MosFET vaø IGBT: ÑK) + söûa daïng + khueách + _ Taàn soá thaáp: laùi tröïc tieáp töø vi maïch 12V ñaïi coâng suaát (Gheùp tröïc Taàn soá cao: Maïch laùi töông töï BJT nhöng caáp ñieän 15 – 20V. tieáp). 10 mA1 4 Khueách Vi maïch laùi: - IR21xx Maïch ñieän töông töï nhö laùi OPTO ñaïi xung 2 3 - optron + maïch KÑaïi SCR.
5. 9 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 10 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD II.3 LINH KIEÄN HOÏ THYRISTOR: Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Thyristor: linh kieän coù ≥ 4 lôùp, ñaïi dieän laø SCR A 1. Caáu taïo vaø nguyeân lyù hoaït ñoäng SCR: P N Hình II.2.1: nguyeân lyù G P SCR N K Caáu taïo nguyeân lyù Maïch töông ñöông hai BJT Kyù hieäu SCR - Maïch töông ñöông giaûi thích ñöôïc hoaït ñoäng cuûa SCR khi phaân cöïc thuaän Hình II.2.2: Caáu taïo moät - Khi môùi caáp ñieän, i = 0 : SCR khoùa thuaän vaø ngöôïc – I laø doøng ñieän roø, raát beù, SCR doøng lôùn ôû tæ leä thöïc G A (a) vaø phoùng to maûnh côû mA vôùi VAK ≠ 0. tinh theå baùn daãn (b) - Khi SCR phaân cöïc thuaän VAK > 0, vaø IG > 0, SCR Æ daãn ñieän Anod: Döông cöïc - SCR töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän cho ñeán khi IA Æ 0. Katod: AÂm cöïc 2. Ñaëc tính tónh ( volt – ampe ): Gate: Coång hay cöïc ñieàu khieån. Moâ taû quan heä IA(VAK) vôùi doøng IG khaùc nhau.
6. 11 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 12 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 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.2.3 Sô ñoà thí nghieäm vaø ñaëc tuyeán volt – ampe cuûa SCR Hình II.2.4.a. Ñaëc tính ñoäng : môû * VAK 0 vaø IG = 0 : Khoùa thuaän: coù laø doøng roø thuaän, côû mA. (1) (2) 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.
7. 13 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 14 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Hình II.2.4.b. Caáu taïo SCR cöïc C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; coång ñeå caûi thieän ñaëc tính R1 = 20 – 100 ohm; C1 = 0.1 – 0.5 uF. ñoäng Hình II.2.5: Maïch snubber R1C1 vaø RC cöïc coång baûo veä SCR khoûi caùc cheá ñoä kích daãn khoâng mong muoán. 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). 3. Ñaëc tính coång: (hay kích khôûi coång) - Caàn coù maïch baûo veä choáng töï kích daãn (hình II.2.5).
8. 15 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 16 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Bao goàm: 4. Caùc linh kieän khaùc trong hoï thyristor: Thyristor laø hoï linh kieän coù ít nhaát 4 lôùp vôùi SCR laø ñaïi dieän. (1) IG(VG) tieâu bieåu, Thyristor coù khaû naêng töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän (kích daãn). (2) IG(VG) öùng vôùi ñieän trôû RG beù, Moät soá Thyristor ñöôïc cheá taïo ñeå coù theå ñieàu khieån ñöôïc quaù trình khoaù laøm thaønh (3) IG(VG) öùng vôùi ñieän trôû RG lôùn. Caùc thoâng soá giôùi haïn ( cöïc ñaïi ): ngaét ñieän ñieän baùn daãn moät chieàu. doøng IGmax, aùp VGmax vaø coâng suaát tieâu taùn trung bình P Gmax (phuï thuoäc beà roäng xung kích SCR). Hình II.2.6: Ñaëc tính coång SCR Caùc thoâng soá giôùi haïn (beù nhaát) cho ñaûm baûo kích: VGT, IGT . Hình II.2.7: Kyù hieäu cuûa caùc linh kieän hay gaëp cuûa hoï Thyristor. Ñieåm laøm vieäc cuûa cöïc coång SCR phaûi naèm trong caùc giôùi haïn treân. a. DARLISTOR: SCR coù caáu taïo noái taàng (cascade) ñeå taêng heä soá khueách ñaïi doøng I / I A G 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
9. 17 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 18 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi (hình 1.2a), khaû naêng naøy coù theå ñöôïc döï ñoaùn. khoù laøm vieäc vôùi taûi coù tính caûm. e. TRIAC: Laø hai SCR song song ngöôïc, ñöôïc cheá taïo vôùi doøng ñònh möùc ñeán haøng 6V ngaøn ampe. 5. Maïch laùi Thyristor: - IG > 0 hay IG 0 hay VT < 0 cho ta 220 Maïch laùi = maïch XUNG DK R2 Q1 4 kieåu hoaït ñoäng C1061 2.2 ohm khueách ñaïi doøng R5 100 SCR R1 0.1 uF R3 R? C1 100 R Hình II.2.8 Ñaëc tuyeán V – I cuûa TRIAC vaø DIAC b. Gheùp quang: duøng OPTRON caùch ly Ñieàu khieån - Ñoäng löïc 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,
10. 19 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD 20 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi OPTRON (Optocoupler) 6V Ñaëc tính optron TRIAC hoï MOC cuûa Motorola 1 4 2.2 ohm OPTO1 OPTRON Triac hoï MOC 2 3 Q1 OPTRON thoâng thöôøng coù Q2 1K thôøi gian treã lôùn hôn vaøi micro 2.2 ohm 4K7 SCR giaây => taàn soá toái ña ñeán vaøi R2 R1 4k7 100 chuïc KHz. 4K7 Sô ñoà kích SCR duøng OPTRON thoâng thöôøng. Ñaëc tính optron PS2521 (NEC) hay TLP521 (TI) 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
11. 21 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi VCC BAX SCR D2 100 47n D2 3k3 3.3 ohm D1 3k3 Q1 3k3 Maïch laùi xung heïp