“ tìm hiểu và thực hiện mạch nghịch lưu độc lập điện áp một pha từ nguồn một chiều 12VDC lên 220VAC tần số 50hz”

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay điện tử công suất đóng một vai trị hết sức
quan trọng trong đời sống.Việc biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng
khác nhờ các mạch công suất được ứng dụng rộng rãi.Đặc biệt nhờ có sự
phát triển của van bán dẫn cơng suất mà lĩnh vực này ngày càng phát triển
mạnh mẽ.Ta có thể phân loại thành một số dạng biến đổi sau: AC→DC
(Chỉnh lưu) ; DC→AC (Nghịch lưu) ; AC→AC(Điều chỉnh điện áp xoay
chiều);DC→DC(Điều chỉnh điện áp một chiều).Mỗi nhóm trên đều có
những ứng dụng riêng của nó trong từng lĩnh vực cụ thể.
Với yêu cầu của đồ án “ Tìm hiểu và thực hiện mạch nghịch lưu độc
lập điện áp một pha từ nguồn một chiều 12VDC lên 220VAC tần số
50Hz”.Mạch này được ứng dụng nhiều trong đời sống sinh hoạt. Mạch có
nhiêm vụ cung cấp nguồn năng lượng cho tải khi xảy ra sự cố mất điện.
Phần báo cáo của em gồm những phần sau:
Phần 1 : Giới thiệu về điện tử công suất và các van
bán dẫnPhần 2 : Giới thiệu chung về nghịch lưu độc
lập
Phần 3 : Tính tốn và thiết kế mạch thực tế
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn sự
hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của.Thầy đã giúp em có được thêm nhiều
những kiến thức và kinh nghiệm quí báu để phục vụ cho việc học tập
cũngnhư cho cơng việc trong tương lai. Song thời gian có hạn và vốn kiến
thức chưa được rộng nên trong quá trình thiết kế khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót. Vì vậy em mong nhận được sự chỉ bảo của các quý thầy
cô để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn.


LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến giảng viên Đỗ Quang Huy
người đã trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình em thực hiện đồ án môn học

3 nghiên cứu, thiết kế và khảo sát mạch nghịch lưu nguồn áp 1pha.
Chúng em cũng xin bày tỏ long biết ơn đến thầy, cô khoa Điện - Điện Tử đã giúp
đỡ chúng em vô cùng tận tâm để chúng em có thể phát trển hết khả năng trong
q trình em thực hiện đồ án mơn học 3.
Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện và trang bị kiến
thức cho em trong quá trình em thực hiện đồ án em rất biết ơn các thầy cơ đã
tậntình chỉ bảo cũng như rèn nắn em trong quá trình em thực hiện đồ án.
Cuối cùng em xin kính chúc q thầy cơ và gia đình dồi dào sức khỏe. Gặt
hái nhiều thành cơng trong sự nghiệp trồng người cao quý.

Sinh viên thực hiện: Cao Văn Nhật
Nguyễn Hồng Phi

2021-2022


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

Hưng Yên, Ngày…. Tháng…..Năm 2022


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU
1.1 Khái niệm về điện tử công suất
1.1.1 Định nghĩa
Điện tử công suất là chuyên ngành nghiên cứu các phương pháp và các
thiết bị điện tử có cơng suất lớn với các thuật toán điều khiển nhằm biến đổi và
điều khiển năng lượng điện.

Hình 1.1 Sơ đồ chung về bộ biến đổi công suất

Hình 1.2. Đối tượng nghiên cứu của điện tử cơng suất

1.1.2. Phân loại và ứng dụng:

Điện xoay chiều thành điện một chiều: Các bộ Chỉnh lưu (Rectifier) điều
khiển (dùng Thyristor) hoặc không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có
cần điều khiển giá trị của dịng điện một chiều ở đầu ra hay không.
Điện một chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Nghịch lưu (Inverter). Các
bộ nghịch lưu có khả năng biến một dòng điện một chiều thành một dịng điện
xoay chiều có giá trị điện áp và tần số thay đổi được tuỳ vào luật đóng mở các
van bán dẫn.
Điện một chiều thành điện một chiều: Các bộ Băm xung một chiều (cịn
có tên là Điều áp một chiều, biến đổi điện áp một chiều ( DC to DC converter,
DC chopper). Các bộ biến đổi này biến dòng điện một chiều có giá trị cố định
thành dịng điện một chiều có giá trị điện áp, dịng điện điều khiển được.
Điện xoay chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Biến tần (Frequency
Drive) trực tiếp (Cycloconverter) hoặc gián tiếp (Inverter). Các bộ biến tần có
khả năng biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dịng điện, điện áp và tần số cố
định của lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dịng, áp và tần số điều
khiển được theo ý muốn.

1.2. Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản
1.2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất
Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi
như các khóa điện tử, gọi là các van bán dẫn. Khi mở dẫn dịng thì nối tải vào
nguồn, khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn, khơng cho dịng điện chạy qua. Để
đóng cắt các dịng điện lớn thì các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín

hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử cơng suất nhỏ.
Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất :
Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa, khi mở cho dịng chạy
qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khóa khơng cho dịng chạy qua thì
có điện trở tương đương rất lớn. Nhờ đó tổn hao cơng suất trong q trình làm
việc bằng điện tích của dịng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có
giátrị rất nhỏ
Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới
điện áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dịng qua
phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.
Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành:
Van không điều khiển như Diode
Van có điều khiển : Điều khiển khơng hồn toàn, như Thysitor, Triac
Điều khiển hoàn toàn, như MOSFET, IGBT,GTO

1.2.2. Diode công suất
Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn P-N. Diode
có 2 cực, anot A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu P, catot K là cực nối với lớp bán
dẫn kiểu N. Dòng điện chỉ chạy qua Diode theo chiều từ A đến K khi điện áp
UAK dương. Khi UAK âm, dịng qua Điode gần như bằng khơng.
a)

Cấu tạo và kí hiệu


Hình 1.3a. Cấu tạo và kí hiệu Diode

Tiếp giáp bán dẫn P-N là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một Diode. Khi
ghép 2 lớp tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán
sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp Ion trung hoà về

điện, lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.
Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến độ dày nhất định
vì ở bên trong vùng N khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các Ion dương, còn
bên vùng P khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp cách điện tử hóa trị
ngồi cùng, tạo nên các Ion âm. Các Ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của
mạng tinh thể Silic nên không thể di chuyển được. Kết quả tạo thành như một tụ
điện với các điện tích âm ở lớp phía dưới lớp P và các điện tích dương phía
dướilớp n. Các điện tích của tụ điện này tạo nên một điện trường E có hướng từ
vùngN sang vùng P ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục cac điện tử từ vùng N sang
vùng P.

b)

Đặc tính Vôn - Ampe


Hình 1. 4 Đặc tính Vol – Ampe và đặc tính lý tưởng

Đặc tính gồm 2 phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư thứ I tương
ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ III tương ứng với
UAK
< 0.
Trên đường đặc tính thuật, nếu điện áp A-K tăng dần từ 0 đến khi vượt
qua ngưỡng điện áp VF, dịng có thể chảy quan Diode. Dịng điện áp iD có thể
thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên Diode UAK hầu như ít thay đổi. Như vậy
đặc tính thuận của Diode đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ.
Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị
Ung.max gọi là điện áp ngược lớp nhất, thì dịng qua Diode vẫn có giá trị rất nhỏ
gọi là dòng rò. Nghĩa là Diode cản trở dòng chạy qua theo chiều ngược. Cho
đếnkhi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dịng qua Diode tăng đột

ngột, tính chất cản trở dịng điện ngược của Diode bị phá vỡ. Q vì này khơng
có đảo ngược nghĩa là nếu ta lại giảm điện áp trên A-K thì dịng điện vẫn khơng
giảm. Ta nói Diode bị đánh thủng.


Đặc tính Vơn-Ampe của các Diode khác nhau, tuy nhiên để phân tích sơ
đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng như hình trên được sử dụng nhiều
hơn


cả. Theo đặc tính lý tưởng, Diode có thể cho phép một dịng điện lớp bất kì chạy
qua với sụt áp trên nó bằng 0 và chịu được điện áp ngược lớn bất kì với dịng rị
bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, Diode có điện trở tương đương khi dần
bằng 0 và khi khóa bằng ∞.

c) Các thơng số
Dịng điện thuận ID : Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua
diode theo chiều thuận ID Đây là giá trị lựa chọn diode cho ứng dụng thực tế
Điện áp ngược UNg.max: Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể
chịu dựng được. Ln lựa chọn:
UAK < U Ng.max
Dòng điện thuận ID :Giá trị trung bình của dịng điện cho phép chạy qua
diode theo chiều thuận ID Đây là giá trị lựa chọn diode cho ứng dụng thực tế

1.2.3.Thyristor (SCR)
a) Cấu trúc và kí hiệu
Thysistor có ba cực : anot A, catot K, cực điều khiển G
Thysistor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn P-N-P-N tạo ra ba
tiếp giáp P-N: J1, J2, J3

Hình 1.5 Kí hiệu cấu trúc của Thysistor

b)Đặc tính Vơn – Ampe

Hình 1.6 Đặc tính Von-Ampe của Thysistor


Đặc tính Von-Ampe của một Thisistor gồm 2 phần. Phần thứ nhất nằm
trong góc phần tư I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp U AK > 0,
phần thứ 2 nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược tương ứng với
trường hợp UAK < 0.
Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng 0 (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của T bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển
Thisistor sẽ cản trở dòng điện tương ứng với cả 2 trường hợp phân cực điện áp
giữa A-K. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thysistor, hai tiếp giáp
J1, J3 sẽ phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận. Như vậy Thysistor sẽ giống như
2 Diode mắc nối tiếp bọ phân cực ngược. Qua T sẽ chỉ có một dịng điện rất nhỏ
chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất
Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng T bị đánh thủng, dịng điện có thể tăng lên rất lớn.
Giống như ở đoạn đặc tính ngược của Diode, q trình đánh thủng là q trình
khơng thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức
Ung.max thì dịng điện cũng khơng giảm đượ về mức dòng rò. T đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp A-K theo chiều thuận, U AK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một
dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dịng rị. Điện trở tương đương mạch A-K vẫn
có giá trị rất rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược.
Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, U th.max sẽ xảy ra hiện
tượng điện trở tương đương mạch A-K đột ngột giảm, dòng điện chạy qua
Thysistor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dịng qua
Thysistor lớn hơn một mức dịng tối thiểu, gọi là dịng duy trì Idt, thì khi đó

Thysistor sẽ dẫn dịng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính
thuận ở Diode. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dịng có thể có
giá trị lớn như điện áp rơi trên A-K nhỏ và hầu như khơng phụ thuộc vào giá trị
của dịng điện.
Trường hợp có dịng điện vào cực điều khiển ( IG > 0)
Nếu có dịng điện điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và A, quá trình


chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi
điện áp thuật đạt đến giá trị lớn nhất. Nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm
chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.

c) Điều kiện mở Thysistor
Thysistor chỉ cho phép dòng chạy qua một chiều, từ anot đến catot, và cản
trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, để Thysistor có thể dẫn dịng,
ngồi điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác. Khi
đưa một xung dịng điện có giá trị nhất định vòa giữa cực điều khiển và catot.
Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thysistor từ trở kháng cao
trở kháng thấp ở mức điện áp A-K nhỏ. Khi đó nếu dịng qua A-K lớnhơn một
giá trị nhất định, gọi là dịng duy trì (idt) thì Thysistor sẽ tiếp tục ở trongtrạng thái
mở dẫn dịng mà khơng cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển. Điều này
nghĩa là có thể điều khiển mở các Thysistor bằng các xung dịng có độ rộng
xung nhất định, do đó cơng suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với
công suất mạch lực mà Thysistor là một phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện.
d) Điều kiện khóa Thysistor
Một Thysistor đang dẫn dịng sẽ trở về trạng thái khóa ( điện trở tương
đương mạch anot-catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị
dòng duy trì, Idt. Tuy nhiên để Thysistor vẫn ở trạng thái khóa, với trở khángcao,
khi điện áp anot-catot lại dương, (U AK > 0), cần phải có một thời gian nhất định
để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dịng điện của mình.

e) Các thơng số
Giá trị trung bình cho phép chạy qua Thysistor, IV
Đây là giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua Thysistor với điều kiện
nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn Thysistor không vượt quá một giá trị cho
phép


Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép: I = 1/3 IV
Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dịng sử dụng cho phép: I = 2/3 I V
Làm mát cưỡng bức bằng nước : Dòng sử dụng cho phép: I = IV
Điện áp ngược lớn nhất: Là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt
lên Thysistor. Trong ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kì thời điểm nào điện
áp giữa anot-catot UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max.
Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thysistor, tr
Đây là thời gian tối thiểu đặt điện áp âm lên giữa anot-catot của Thysistor
khi dòng A-K đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp dương mà Thysistor vẫn
khóa.
Tốc đơ tăng điện áp cho phép
Với T tần số thấp dU/dt = 50 đến 200 V/ micro giây
Với T tần số cao dU/dt = 500 đến 2000 V/ micro giây
Độ tăng dòng cho phép dI/ dt ( A/ micro giây)
Với T tần số thấp dI/dt = 50 đến 200 A/ micro giây
Với T tần số cao dI/dt = 500 đến 2000 A/ micro giây

1.2.4. GTO ( Gate Turn-off Thysistor)
GTO khóa lại được bằng cực điều khiển, có khả năng về đóng cắt các
dịng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như Thysistor , là một van điều
khiển hồn tồn, có thể chủ động cả thời điểm khóa dưới tác động của điều
khiển.
a) Cấu trúc và kí hiệu

J1

J2


G
J3

b)

Hình 1.7. Cấu trúc kí hiệu GTO

Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anot được bổ sung các lớp n+.
Dấu (+) ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc
điện tử, được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các
vùng này. Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ
ravà phân bố đều so với lớp n+ của catot

b) Nguyên lý điều khiển GTO
GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống
như ở Thyristor thường.
Để khố GTO, một xung dịng phải được lấy ra từ cực điều khiển.

a. b)

Hình 1.8. Nguyên lý điều khiển GTO
a.Yêu cầu dạng xung điều
khiển b.Nguyên lý thực hiện

Để khóa GTO, một xung dịng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi
van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứ một lương lớn các điện tích sinh ra do tác
động của hiệu ứng bán phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện
tử di chuyển từ catot, vùng n+ , đến anot, cùng p+ , tạo nên dòng anot. Bằng cách
lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co
hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anot và vùng n+ của catot. Kết quả là dòng anot
sẽ bị giảm cho đến khi về đến 0. Dịng điều khiển được duy trì một thời gian
ngắn để GTO phục hồi tính chất khóa.

Xung dịng khóa phải GTO phải có biên độ rất lớn. Vào khoảng 20-25%
biên độ dòng anot-catot. Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dịng điều khiển
phải có độ dốc sườn rất lớn, sau khoảng 0,5 đến 1µs. Điều này giải thích tại sao
ngun lý thực hiện tạo xung dịng khóa là nối mạch cực điều khiển vào một
nguồn áp. Về nguyên tắc, nguồn áp có nội trở bằng 0 và có thể cùng cấp một
dịng điện vơ cùng lớn.
Mạch điều khiển GTO dùng 2 khóa Transitor T1, T2. Khi tín hiệu điều
khiển là 15V, T1 mở, dòng chạy từ nguồn 15V qua điện trở hạn chế R1 nạp điện
cho tụ C1 tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO. Khi tụ C 1 nạp đầyđiện
áp của Diode ổn áp DZ (12V) dịng điều khiển kết thúc. Khi tín hiệu điều khiển
rơi xuống mức 0V thì T1 bị khóa, T2 sẽ mở do có điện áp trên tụ C1, tụ C1 bị ngắn
mạch qua cực điều khiển và catot, Transistor T2 tạo nên dịng đi ra khỏi cực điều
khiển, khóa GTO lại. Diode DZ ngăn ko cho tụ nạp ngược lại. Transistor T 2 phải
chọn là loại chịu được xung dòng có biên độ lớn chạy qua.

1.2.5. Transistor cơng suất, BJT ( Bipolar Junction Transistor)
a) Cấu tạo
Transistor là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p
(bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n được biểu diễn
trên hình 1.2.5

n-

n

b.
Hình 1.9.a..Cấu trúc bán dẫn BJT
b.kí hiệu


Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction Transistor vì dịng điện
chạy trong cấu trúc này bao gồm cả 2 loại điện tích âm và dương. Transistor có
ba cực : Bazer (B), colecter (C), emiter (E). BJT thường là loại bóng ngược.
Transistor chỉ được sử dụng như một phần tử khóa. Khi mở dịng điều
khiển phải thỏa mãn điều kiện : IB >

hay IB = kbh

Trong đó kbh = 1,2 ÷ 1,5 gọi là hệ số bão hịa. Khi đó Trasistor sẽ ở trong
chế độ bão hịa với điện áp giữa conlecto và emito rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5V, gọi là
điên áp bão hịa, U CE.bh.
Khi khóa, dịng điều khiển IB bằng 0, lúc đó dịng colecto gần bằng 0, điện
áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với
transistor
b) Đặc tính đóng cắt của Transistor
Chế độ đóng cắt của Transistor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ kí sinh giữa
tiếp giáp B-E, B-C, CBE và CBC

Hình 1.10 Đặc tính đóng cắt của Transitor

Q trình mở : Theo đồ thị, trong khoảng thời gian (1), BJT đang trongchế
độ khóa với điện áp ngược, -U B2 đặt lên tiếp giáp B-E. Q trình mở BJTbắt
đầu khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -U B2 lên mức UB1. Trong khoảng (2), tụ đầu
vào, giá trị tương đương bằng C in=CBE + CBC, nạp điện từ điện áp –UB2 đến UB1.
Khi UBE cịn nhỏ hơn 0, chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE. Tụ Cin
chỉ nạp đền giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6-0,7V, bằng điện áp
rơi trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị 0 ở đầu giai đoạn (3).
Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ để mở Id(on) của BJT.
Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emito thâm nhập vào vùng
bazo, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dịng colecto. Các điện tử thốt ra
khỏi colecto càng làm tăng thêm các điện tử đến emito. Quá trình tăng dòng IC,
IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazo đã tích lũy đủ lượng điện tích dư thừa

mà tốc độ tự trung hòa của chúng đảm bảo một dịng bazo khơng đổi :
Tại điểm cộng dịng điện tại bazo trên sơ đồ tao có:
IB1=iC.BE+IC.BC+iB
Trong đó iC.BE là dịng nạp của tụ CBE,
iC.BC là dòng nạp của tụ CBC,
iB là dòng đầu vào của Transistor, iC=β.iB
Dòng colecto tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là
IC (∞)=β.IB1. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3)thì dòng IC đã đạt đến giá trị
bão hòa, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC=β.iB khơng cịn tác
dụng nữa. Trong chế độ bão hịa cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực
thuận. Vì khóa làm việc với tải trở trên colecto nên điện áp trên colecto-emito
VCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC. Khoảng thời gian (3)


phục thuộc và độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng

ngắn. Trong khoảng thời gian (4), đuôi điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện
áp bão hòa cuối cùng, xác định bởi biểu thức:
UCE=Un – IC.bh.R1
Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n - và phụ
thuộc cấu tạo của BJT.
Trong giai đoạn (5). BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hịa.

Q trình khóa BJT:
Trong thời gian BJT ở chế độ bão hịa, điện tích tụ không chỉ trong lớp
bazo mà cả trong lớp conlecto. Tuy nhiên những biến đổi bên ngồi hầu như
khơng ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khóa.
Khi điện áp điều khiển thayd dổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6).
Điện tích tích lũy trong các lớp bán dân khơng thể thay đổi ngay lập tức được.
Dịng IB ngay lập tức sẽ có giá trị :

Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngồi bằng dịng khơng đổi I B2.
Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp
giáp bazo-conlecto giảm về bằng 0 và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cực
ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khóa, t d(off) .
Trong khoảng thời gian (7) dòng colecto IC bắt đầu giảm về bằng 0, điện áp UCE
sẽ tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng thời gian này BJT làm việc trong chế
độ tuyến tính, trong đó dịng I C tỷ lệ với dòng bazo. Tụ C BC làm việc trong chếđộ
tuyến tính, trong đó dịng IC tỷ lệ với dịng bazo. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giátrị
điện áp ngược bằng Un. Lưu ý rằng trong giai đọa này, tại điểm cộng dòng điện
áp trên bazo trên sơ đồ ta có: IB2=iC.BC-iB


Trong đó iC.BC là dịng nạp của tụ CBC; iB là dịng đầu vào của trazito. Từ đó
có thể thấy quy luật iC=β.iB vẫn thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực
thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. Đến cuối khoảng (7) tranzito mới khóa

lại hồn tồn. Trong khoảng (8), tụ bazo-emito tiếp tục nạp tới điện áp ngược –
UB2. Tranzito ở chế độ khóa hồn tồn trong khoảng (9).

c) Đặc tính tĩnh của BJT và cách mắc sơ đồ Darlington
Từ đặc tính tĩnh ở trên thấy rằng hệ số khuếch đại dịng điện của các tran.
cơng suất nhỏ chỉ khoảng hàng chục. Do đó cần mắc hai tran. nối tiếp nhau như
hình vẽ

Hình 1.11. Sơ đồ Darlington

Sơ đồ Darlington là cách nối hau trazito Q1, Q2 với hệ số khuếch đại
dịng tương ứng β1, β2, có hệ số khuếch đại chung bằng :β=β1+β2+β3+β4.

1.2.6. Transistor trường, MOSFET
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET
MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dịng
điện điều khiển cực nhỏ, hình 1.2.6a thể hiện cấu trúc bán dẫn và kí hiệu của một
MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó G (Gate) là cực điều khiển được cách ly
hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn cịn lại bởi lớp điện mơi cực mỏng nhưng cóđộ
cách điện cực lớn doxit-silic (Sio2). Hai cực còn lại là cực gốc S (Source) và cực


máng D (Drain). Trên kí hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S để chỉ rarằng
trong điều kiện bình thường khơng có một kênh dẫn thực sự nối giữa D với S

nn

b)
Hình 1.12 a.Cấu trúc b.kí hiệu của MOSFET

Sự hình thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET

Hình 1.13. Sự hình thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET

Trong chế độ làm việc bình thường u DS > 0. Giả sử điện áp giữa cực điều
khiển và cực gốc bằng khơng, uDS=0, khi đó kênh dẫn sẽ hồn tồn khơng xuất
hiện. Giữa cực gốc và cực máng sẽ là tiếp giáp p-n - phân cực ngược. Điện áp uDS
sẽ là hồn tồn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này.
Khi điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển


sẽ tích tụ các lỗ (p), do đó dịng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể
xuất hiện. Khi điện áp điều khiển là dương, UGS>0, và đủ lớn, bề mặt tiếp xúc
cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành. Từ
cấu trúc bán dẫn của MOSFET, có thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn
tại một tiếp giáp p-n-, tương đương với một Diode ngược nối giữa D-S.
b) Đặc tính tĩnh của MOSFET
Khi điện áp điều khiển UGS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET
ở trạng thái khóa với điện trở rất lớn giữa cực máng D và cực gốc S. Khi U GS cỡ
5-7V, MOSFET sẽ ở trong chế độ dẫn. Thông thường người ta điều khiển
MOSFET bằngđiện áp điều khiển cỡ 15 V để làm giảm điện áp rơi trên D vs S.
Khi đó UDS sẽ gần như tỷ lệ cới dịng ID.

ID(A)

UDS=200VUDS=10V
UDS=2V

10A

DÉn dßng

UDS=1V
5A

UDS=0,5V

0
5V

10V

UGS


1.2.6.1 Đặc tính đóng cắt của MOSFET
Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có thể đóng
cắt với tần số rất cao. Tuy nhiên để đạt được thời gian đóng cắt rất ngắn thì vấn
đề điều khiển là rất quan trọng. Cơ chế ảnh hưởng đến thời gian đóng cắt của
MOSFET là các tụ điện kí sinh giữa các cực.

b)
Hình 1.15 Mơ hình một khóa MOSFET
a) Các thành phần tụ kí sinh giữa các lớp bán dẫn MOSFET b) Mạch điện tương đương

Tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc CGS phải được nạp đến điện áp có
thể xuất hiện. Tụ giữa cực điều khiển và cực máng C GD có ảnh hưởng mạnh đến
giới hạn tốc độ của MOSFET.