Giáo trình điện tử công suất (nghề điện công nghiệp)

BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH
MƠ ĐUN: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
( Áp dụng cho Trình độ Cao đẳng)

LƯU HÀNH NỘI BỘ
NĂM 2017

1


LỜI GIỚI THIỆU

Điện tử công nghiệp ngày nay không chỉ bó hẹp trong lĩnh vực cơng nghiệp mà cịn có
mặt ở hầu hết các lĩnh vực kinh tế khác nhau, khi chúng ta phấn đấu xây dựng một nền kinh tế
theo phương thức cơng nghiệp hóa. Vì vậy Bài giảng điện tử cơng suất khơng thể thiếu được
trong q trình nghiên cứu học tập của mơ đun.
Hiện nay có rất nhiều tài liệu điện tử công suất tuy nhiên lại không phù hợp với học
sinh, sinh viên học nghề. Như vậy với mục đích để học sinh, sinh viên học nghề có thể dễ
dàng tiếp cận tơi viết bài giảng náy. Bài giảng “ Điện tử công suất” gồm 5 bài:

Bài 1: Các linh kiện điện tử công suất
Bài 2: Bộ chỉnh lưu
Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều
Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
Bài 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần
Mỗi bài sẽ đề cập tới các nội dung kiến thức cơ bản, các ví dụ minh hoạ và các
bài tập điều khiển thực tế để học sinh, sinh viên có thể hiểu rõ hơn. Dù đã cố gắng

nhưng không thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy tơi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến
chân thành của đồng nghiệp và các bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn
Lào Cai, ngày …..tháng …..năm……
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Phạm Thị Huê

2


MỤC LỤC
1

2

3

4

5

Bài1: Các linh kiện điện tử công suất

4

1. Phân lọai

4

2. Diode

4

3. Transistor

7

4. Thyristor SCR, Diac, Triaac

10

5. Gate Turn off Thyristor GTO

13

Bài 2: Bộ chỉnh lưu

19

1. Bộ chỉnh lưu một pha

19

2. Bộ chỉnh lưu ba pha

32

3. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu

44

Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

54

1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha

54

2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha

60

Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều

62

1. Bộ giảm áp

62

2. Bộ tăng áp

69

3. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều

75

Bài 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần

78

1. Bộ nghịch lưu áp một pha

78

2. Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha

81

3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

83

4. Bộ nghịch lưu dòng điện

84

5. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu dòng

87

6. Bộ biến tần gián tiếp, trực tiếp

89

3

Bài 1:
CÁC LINH KIỆN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1. Phân loại linh kiện điện tử công suất
+ Để thực hiện các ngắt ngắt điện điện tử có thể dung nhiều linh kiện hay
nhóm linh kiện điện tử chịu được áp cao, dòng lớn, làm việc trong 2 chế độ:
- Dẫn điện hay bão hòa (ON) sụt áp qua kênh dẫn điện rất bé, dịng phụ
thuộc vào tải.
- Khóa (OFF) dịng qua nó rất bé (≈ 0) kênh dẫn điện như hở mạch.
Các linh kiện chính: Điode, Transisstor BJT, Transistor MOSFET, Transistor
IGBT, Thyristor SCR, Triac, Gate Turn Off Thyristor GTO.
2. Diode
Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Điơt có
hai cực, anơt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán
dẫn kiểu n. Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK
dương. Khi UAK âm, dịng qua điơt gần như bằng không. Cấu tạo và ký hiệu của
điôt nh­ trên hình 1.1
2.1 Cấu tạo
Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ
bản trong cấu tạo của một điôt. Ở nhiệt
độ môi trường, các điện tử tự do trong
lớp bán dẫn n khi khuếch tán sang lớp
bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi các ion
a)

dương ở đây. Do các điện tích trong

b)

vùng tiếp giáp tự trung hồ lẫn nhau
nên vùng này trở nên nghèo điện tích,

Hình: 1.1
a) Cấu tạo;

hay là vùng có điện trở lớn. Tuy nhiên

b) Ký hiệu

vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng
ra đến một độ dày nhất định vì ở bên 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
các điện tử hoá trị ngoài 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 một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở
phía lớp n. Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng
n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang
4


vùng p. Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một
nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt
độ 250C (hình 1.2).
Các điơt cơng suất được chế tạo chịu được một giá trị điện áp ngược nhất
định. Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo
giống như lớp n, nhưng ít điện tử tự do hơn.
Khi lớp tiếp giáp p - nđược đặt dưới tác dụng của
điện áp bên ngoài, nếu điện
trường ngoài cùng chiều với
điện trường E thì vùng nghèo
điện tích sẽ mở rộng sang

-

vùng n điện trở tương đương

U

j

của điôt càng lớn và dịng điện

khơng thể chạy qua. Tồn bộ Hình: 1.2. Sự tạo thành điện thế rào cản trong
điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng tiếp giáp p-n
nghèo điện tích. Ta nói rằng
điơt bị phân cực ngược.

n-

n-

a)

b)

Hình: 1.3. Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận

2.2 Đặc tính vơn-ampe của điơt:
Một số tính chất của điơt trong q trình làm việc có thể được giải thích
thơng qua việc xem xét đặc tính vơn-ampe của điơt trên hình 1.4a. Đặc tính gồm
hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với U AK > 0, đặc
tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với U AK < 0.

Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anơt-catơt tăng dần từ 0 đến khi
vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dịng có thể chảy qua điơt. Dßng
điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên ®iơt U AK hầu như ít thay
5


đổi. Như vậy đặc tính thuận của điơt 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 lớn nhất thì dịng điện qua điơt vẫn có giá trị rất
nhỏ, gọi là dịng rị, nghĩa là điơt cản trở dịng điện theo chiều ngược. Cho đến
khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dịng qua điơt tăng đột ngột,
tính chất cản trở dịng điện ngược của điơt bị phá vỡ. Q trình này khơng có
tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôt-catôt thì dịng điện vẫn
khơng giảm. Ta nói điơt đã bị đánh thủng.
Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính tốn, người ta thường dï ng đặc
tính khi dẫn dịng, tuyến tính hố điơt như được biểu diễn trên hình 1.4b. Đặc
tính này có thể biểu diễn qua cơng thức:
u D U D.0r D .I D

Trong đó:

r D

U
là điện trở tương đương của điơt khi dẫn dịng.
I D

Đặc tính vơn-ampe của các điôt thực tế sẽ khác nhau, phụ thược vào dịng
điện cho phép chạy qua điơt và điện áp ngược lớn nhất mà điơt có thể chịu được.

Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên
hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng, điơt có thể cho
một dịng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính
lý tưởng, điơt có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng .
iD

iD

U ng. max
U D.0

U D.0

U D.0

Hình 1.4. Đặc tính vơn-ampe của điơt:
a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng
cảm.
3. Transistor - BJT (Bipolar Junction Tranzitor)
6


3.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT
Tranzito là phần tử
bán dẫn có cấu trúc bán dẫn
gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p
(bóng thuận) hoặc n-p-n

n-

(bóng ngược), tạo nên hai
tiếp giáp p-n. Cấu trúc này
thường được gọi là Bipolar
Junction Tranzitor (BJT) vì

a)

b)

dịng điện chạy trong cấu
trúc này bao gồm cả hai loại

Hình 1.5. a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

điện tích âm và dương.
Tranzito có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) và emitơ (E). BJT công suất thường là
loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất
được biểu diễn trên hình 1.11, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh
thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E.
Trong chế độ tuyến tÝnh hay còn gọi là chế độ khuếch đại, tranzito là phần tử
khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng  lần dòng bazơ (dịng điều
khiển), trong đó  được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện. IC = .IB
Tuy nhiên, trong điện tử công suất, tranzito chỉ được sử dụng như một
phần tử khố. Khi mở dịng điều khiển phải thoả mãn điều kiện:
IB 

IC



hay

I B  k bh

IC



Trong đó: kbh = 1,2  1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó tranzito sẽ ở trong chế độ
bão hồ với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp
bão hồ, UCE.bh.
Khi khố, dịng điều khiển IB bằng khơng, lúc đó dịng colectơ gần bằng
không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối
tiếp với tranzito.
Tổn hao cơng suất trên tranzito bằng tích dịng điện colectơ với điện áp
rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá.
Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và BC đều bị phân cực ngược. Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên
vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n-. Độ dày và mật độ điện tích của lớp n- xác
định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT. Tranzito ở chế độ tuyến tính nếu
7


tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược. Trong chế độ
tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ sẽ kích thích các điện tử từ tiếp
giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được trung hoà hết, kết quả là
tốc độ trung hồ quyết định dịng colectơ tỷ lệ với dịng bazơ, IC = .IB. Tranzito
ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực
thuận. Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp
B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư
thừa thì các điện tích sẽ khơng bị trung hồ hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở

nhỏ, dịng điện có thể chạy qua. Cũng do tốc độ trung hồ điện tích khơng kịp
nên tranzito khơng cịn khả năng khống chế dịng điện được nữa và giá trị dịng
điện sẽ hồn tồn do mạch ngồi quyết định. Đó là chế độ mở bão hồ.
3.2. Đặc tính đóng cắt của transistor
uB (t )
U B1

+ Un

C BC

uB ( t )

RB

U B1

B
i B (t)

U B2

CBE

a)

Rt

i C (t)
C

E

U B2

0,7V

uBE ( t )

U B2

i B1 ( t )

i B (t)

i B2 ( t )

u CE ( t )
+ Un

I C.bh

i C (t )

b)

Hình 1.6. Q trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dòng điện, điện áp

Chế độ đóng cắt của tranzito phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các
tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC. Ta phân tích q trình đóng cắt của một

tranzito qua sơ đồ khố trên hình 1.12a, trong đó tranzito đóng cắt một tải thuần
trở R t dưới điện áp +U n điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -U B2 đến +UB1 và
ngược lại. Dạng sóng dịng điện, điện áp cho trên hình 1.12b.
a. Q trình mở

8


Theo đồ thị hình 1.12, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ
khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu
từ khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1. Trong khoảng (2), tụ đầu
vào, giá trị tương đương bằng Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến UB1.
Khi UBE cịn nhỏ hơn khơng , chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE. Tụ
Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện
áp rơi trên điơt theo chiều thuận, thì q trình nạp kết thúc. Dịng điện và điện áp
trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3).
Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td(on) của BJT.
Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng
bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dịng colêctơ. Các điện tử thốt ra
khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ. Quá trình tăng dịng
IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư
thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dịng bazơ khơng đổi:
I B1 

U B1 - U *
RB

Tại điểm cộng fòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.12a, ta có:
I B1  i C.BE  i C.BC  i B

Trong đó:
iC.BE là dịng nạp của tụ CBE,
iC.BC là dòng nạp của tụ CBC,
iB là dòng đầu vào của tranzito, iC = β.iB.
Dòng colectơ tăng dần thưo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là
IC(∞) = β.IB1. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dịng IC đã đạt đến giá trị
bão hồ, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC = β.iB khơng cịn tác
dụng nữa. Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực
thuận. V × khi làm việc với tải trở trên colectơ nên điện áp trên colectơ – emitơ
UCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC. Khoảng thời gian (3)
phụ thuộc vào độ lớn của dịng IB1, dịng này càng lớn thì thời gian này càng
ngắn.
Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà
cuối cùng, xác định bởi biểu thức:
UCE.bh = Un – IC.bh.Rt

9


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 hồ.
b. Q trình khố BJT
Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ
trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ. Tuy nhiên những biến đổi bên ngồi hầu
như khơng ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá.
Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6),
điện tích tích luỹ trong lớp bán dẫn khơng thể thay đổi ngay lập tức được. Dòng
IB ngay lập tức sẽ có giá trị:
I B2 

U B2  U *
RB

Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngồi bằng dịng khơng đổi IB2.
Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp
giáp bazơ – colectơ giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị
phân cực ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khố, td(off).
Trong khoảng (7), dịng colectơ IC bắt đầu giảm về không, điện pá UCE sẽ
tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến
tính, trong đó dịng IC tỷ lệ với dịng bazơ. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp
ngược, bằng –U n. Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dịng điện tại
bazơ trên sơ đồ hình 1.6a, ta có: IB2 = iC.BC - iB
trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của tranzito. Từ đó có
thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được 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 khố
lại hồn tồn.
Trong khoảng (8), tụ bazơ – emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2.
Tranzito ở chế độ khố hồn tồn trong khoảng (9).
4. Thysistor SCR, Diac, Triac
4.1. Tiristo 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. Tiristo có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được
biểu diễn trên hình 1.10.

10


Q1

Q2

n+

J3
J2
J1

Hình 1.10. Tiristo: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Đặc tính vơn-ampe của tiristo:
Đặc tính vơn-ampe của tiristo gồm hai phần (hình 1.11). Phần thứ nhất
nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp
UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược,
tương ứng với trường hợp U AK < 0.
1. Trường hợp dịng điện vào cực điều khiển bằng khơng (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của tiristo bằng 0 hay khi hở mạch cực điều
khiển tiristo sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp
giữa anôt-catôt. Khi điện áp U AK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của tiristo, hai tiếp
giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy tiristo sẽ giống
như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua tiristo chỉ có một dòng điện
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 tiristo bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất
lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điơt, q trình bị đánh thủng là q
trình khơng thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức
Ung.max thì dịng điện cũng khơng giảm được về mức dịng rị. Tiristo đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có
một dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch
anơt-catơt vẫn có giá trị 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, Uth.max,
sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anơt-catơt đột ngột giảm,

dịng điện chạy qua tiristo sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngồi. Nếu khi
đó dịng qua tiristo lớn hơn mức dịng tối thiểu, gọi là dịng duy trì Idt, thì khi đó
tiristo sẽ dẫn dịng trên đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điơt.
Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính dẫn dịng có thể có giá trị
lớn nhưng điện áp rơi trên anơt-catơt nhỏ và hầu như khơng phụ thuộc vào giá
trị của dịng điện.
11


iV

I G3 I G2 I G1

i dt

U ng. max

U v.thU th. max

Hình 1.11. Đặc tính vơn-ampe của tiristo

2. Trường hợp có dịng vào cực điều khiển (IG > 0)
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catơt, q trình
chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi
điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Được mô tả trên hình 1.6 bằng
những đường nét đứt, ứng với giá trị dịng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,…
Nói chung, nếu dịng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ
xảy ra với UAK nhỏ hơn.
Q trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ khơng có gì khác so với
trường hợp dịng điều khiển bằng 0.

4.2 Triac
Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu
trúc p-n-p-n thể hiện trên hình 1.8a. Triac có ký hiện trên sơ đồ như hình 1.8b,
có thể dẫn dịng theo cả hai chiều T1 và T2. Về ngun tắc, triac hồn tồn có thể
coi tương đương với hai tiristo đấu song song ngược như trên hình 1.13c.
T2

n

G

p
n

T2

n

p

G
n

T1
T1

b)

a)

Hình 1.13. Triac:
12

c)


a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu;
c) Sơ đồ tương đương với hia tiristo song song ngược
Đặc tính vơn-ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ
I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một tiristo như được
biểu diễn trên hình 1.14a.
Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều
hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ.
i A
Iv

T2

I G3 I G2 I G1

I dt

R
G

u

0

T1

u v.th u th. max
b)

a)

Hình 1.14. a) Đặc tính vơn-ampe;
b) Điều khiển triac bằng dịng điều khiển âm
5. Thysistor khóa được bằng cực điều khiển – GTO (Gate Turn-off Thyistor)
Tiristo thường, được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu, từ công
suất nhỏ vài kW đến công suất cực lớn, vài trăm MW. Đó là vì trong các sơ đồ
chỉnh lưu, tiristo có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp
lưới, điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh bằng cách chủ động thay đổi thời điểm
mở của các tiristo. Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp
một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, trong đó các van bán dẫn ln bị đặt dưới
điện áp một chiều thì điều kiện để khố tự nhiên sẽ khơng cịn nữa. Khi đó việc
dùng các tiristo thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức
tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi.
Các GTO như tên gọi của nó, nghĩa là khố lại được bằng cực điều khiĨn,
có khả năng về đóng cắt các dịng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như
tiristo, là một van điều khiển hồn tồn, có thể chủ động cả thời điểm khố dưới
tác động của tín hiệu điều khiển. Việc ứng dụng các GTO đã phát huy ưu điểm
cơ bản của các phần tử bán dẫn, đó là khả năng đóng cắt dịng điện lớn nhưng lại
được điều khiển bởi các tín hiệu điện cơng suất nhỏ.
13


Cấu trúc bán dẫn của
GTO phức tạp hơn so với

A

p+ n + p+ n +

tiristo (hình 1.15). Ký hiệu

n

của GTO cũng chỉ ra tính
chất điều khiển hồn tồn
của nó. Đó là dòng điện đi
vào cực điều khiển để mở

p+ n+ p+

G

n+

p
n+

K

GTO, còn dòng điện đi ra

A
J1
J2

n+

a)

J3

G

K

b)

khỏi cực điều khiển dùng để Hình 1.15. GTO: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
di chuyển các điện tích ra
khỏi cấu trúc bán dẫn của
nó, nghĩa là để khố GTO
lại.
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anôt 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 ra và phân
bố đề so với lớp n+ của catơt.
Khi chưa có dịng điều khiển, nếu anơt có điện áp dương hơn so với catơt
thì tồn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của
tiristo. Tuy nhiên nếu catơt có điện áp dương hơn so với anơt thì tiếp giáp p+-n ở
sát anôt sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu
được điện áp ngược.
GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống
như ở tiristo thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dịng duy trì
ở GTO cao hơn ở tiristo thường. Do đó dịng điều khiển phải có biên độ lớn hơn

và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dịng duy
trì. Giống như ở tiristo thường, sau khi GTO đã dẫn thì dịng điều khiển khơng
cịn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với cơng suất
khơng đáng kể.
Để khố GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi
van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do
tác dụng của hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các
điện tử di chuyển từ catôt, vùng n+, đến anơt, vùng p+, tạo nên dịng anơt. Bằng
cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ
14


bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anơt và vùng n+ của catơt. Kết quả là
dịng anôt sẽ bị giảm cho đến khi về đến không. Dịng điều khiển được duy trì
một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khố.
Bài tập thực hành
Lắp và khảo sát mạch điện dùng SCR điều khiển động cơ
* Mạch điện 1
L
D

R1

220V

SCR

VR

R3

C

R4

* Nguyên lý làm việc:
Giả sử ở nửa chu kỳ đầu của điện áp xoay chiều dương ở a và âm ở b sẽ
có dịng điện nạp cho tụ C1 (theo mạch đi từ a → M→ D→ R1→ VR → c → b).
Sau thời gian nạp  = c1(R1 + Vr) thì tụ được nạp đầy, lúc này xuất hiện xung
điện áp đặt vào cực G của thyristor đủ để hình thành dịng điều khiển kích cho
thyristor mở. Khi có dịng điện IG thì SCR mở cho dịng chính AK cấp cho động
cơ làm việc (theo mạch đi từ a →M→ ASCR → K SCR → b). Từ biểu thức
=
c1(R1 + Vr) cho thấy khi thay đổi vị trí của VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của
tụ tức là thay đổi thời điểm có xung kích cho SCR mở dẫn đến thay đổi điện áp
cấp cho động cơ M như thế sẽ thay đổi được tốc độ cấp cho động cơ.
Mạch điện 2
75W/220V
TP1

TP3
C1
224

D2

TP4

Diac 1

R2
100

R1
1k
SCR2
2P4M

220VAC
VR1
250k

TP5

Diac 2

C2
224

D1

TP2

15

R3
100

SCR1
2P4M

Thực hành lắp và khảo sát mạch điện dùng Triac
Mạch điện 1

a. Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led và giải thích kết quả.
b. Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích.
c. Đổi cực của nguồn V i, lập lại câu a và b, giải thích kết quả
Mạch điện 2
L

P

R

220V

VR
Triac

C

Diac

N

* Nguyên lý làm việc
+ Giả sử ở nửa chu kỳ đầu A dương hơn B diode phân cực thuận kích cho triac
16

dẫn xuất hiện dòng điện cấp cho quạt (theo mạch đi từ A→T1→T2 → quạt
→B).
Đồng thời tụ C được nạp ( theo mạch A → R1 và R2 → R3 → C→ quạt → B).
+ ở nửa chu kỳ sau B dương hơn A diode phân cực nghịch nên không có
dịng điện tới cực G nhưng lúc này nhờ tụ C phóng điện cấp cho cực G (theo
mạch đi từ C→ Diode → G → T2 → C). Khi cực G có điện kích cho triac mở
cấp điện cho quạt ( theo mạch đi từ B → quạt → Triac → A)
+ Quạt quay nhanh hay chậm tuỳ theo người sử dụng vặn triết áp R1 để làm thay
đổi thời gian nạp cho tụ C lúc đó sẽ thay đổi được góc kích mở của Triac
Bài tập 2

Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này
SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D1, R1. Khi mất điện,
nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn

Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi accu đã nạp đầy, điện thế
cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ accu. VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp)
Thực hành lắp và khảo sát mạch điện dùng MOSFET

17


18


Bài 2:
BỘ CHỈNH LƯU
1. Bộ chỉnh lưu một pha
1.1. Chỉnh lưu một pha không điều khiển

1.1.1. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ
Mạch van chỉ có một van duy nhất là điơt D (hình 2.3). Ở nửa chu kỳ đầu
(0) khi điện áp đặt vào mạch van u2 > 0 với cực tính dương ở trên thì điơt D
dẫn. Vì với UD = 0 nên có ud  u2. Ở nửa chu kỳ sau (  2) điện áp u2 đảo
dấu (cực tính trong ngoặc trên sơ đồ)nên điơt D khố, vì thế ud = 0.
u2

D

i2



2



id
u1

ud

u2

Rd

ud



a)
b)

Hình 2.3a
u d  2 .U 2 .Sin

2.U 2
.Sin  :
R

i

Trong khoảng     2 , :
i=0, ud=0
giá trị điện áp lớn nhất U max  2.U 2 .


Ud 

1
. 2.U 2 .Sin .d 
2 0

U tb =

2 .U 2
 0,45U 2




U
1
U max sin t.dt  max

2 0


Dịng điện trung bình qua tải:
Id 

U2
2 .U 2

r
 .R

- Khi tải R+L

19


Cuộn cảm sinh ra sđđ tự cảm : e L   L
Theo đinh luât Ôm :

Hoặc:

L

di

dt

(0.1)

u2 + eL = R.i
(0.2)

di
 Ri  ud  2U 2 sin  t  2U 2 sin 
dt

(0.3)
Đặt : X   L  Z sin 

 R  Z .cos  ; Z 

R2  X 2

u2

id

D

0
L

u2

ud

ud





2

id
ud

R

id
0

2



1


Hình 1.2. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R, L

Giải phương trình vi phân ta có:
id 

R

 

sin      sin  .e X 

R2  X 2 


2U 2

(0.4)

 Khi  = , dòng i = 0 , Diode D bị khố lại:
Từ đó có quan hệ:

sin        sin  .e
 - Gọi là góc tắt dịng


tg

(0.5)

 Khi cho biết  có thể xác định gần đúng 
Từ hình vẽ ta thấy 0 <  < 1 dòng i tăng từ từ do cuộn cảm L sinh ra sđđ
tự cảm có chiều ngược lại với u2, cuộn cảm L tích luỹ năng lượng.
Trong khoảng 1 <  < 2 dòng i suy giảm, sđđ tự cảm eL tác động cùng
chiều với u2 , cuộn cảm L hồn năng lượng. Vì vậy Diode D tiếp tục mở cho
dòng chảy qua trong khoảng  <  < 2 khi mà u2 < 0 .
20

Tại điểm 1 L

di
 0 dịng i có giá trị cực đại : ia = Im
dt
L
2

Năng lượng tích luỹ bằng năng lượng hoàn lại lưới :   I m2
Trong thực tế với mạch tải R + L người ta thường dùng một Diode hoàn
năng lượng đấu song song ngược với tải, để bảo vệ Diode và duy trì dịng tải
trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn.
Khi điện thế tại B lớn hơn điểm C 0,7V, Diode Dr mở cho dòng id qua, id
= i. Diode Dr làm ngắn mạch tải ud = 0.
u

i
ud

id


0

Hình 1.3. Đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R, L

Diode chỉ cho dòng qua trong khoảng 0 <  < , trong khoảng  <  < 2
dòng tải id do cuộn dây cung cấp, nếu eL đủ lớn thì có thể duy trì dịng id trong
tồn kỳ.

Kết luận:
 Dịng điện tải chậm pha sau u2 một góc  với tg 

L
X
; tg 
R
R

 Khi có DR điện áp chỉnh lưu Ud mất đoạn mang giá trị âm.
 Trong một chu kỳ cuộn L tích lũy được bao nhiêu năng lượng thì nó hồn bấy
nhiêu năng lượng.
a

C

D

+
L

u2

ud

Dr
D1

R

b
u d id

eL

_
R

Dr

id

B
ud
id

0



2



Hình 1.4. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R,L khi có Dr
21


Tải là R + E
Diode chỉ cho dòng chảy qua khi u2 > E dòng i chỉ tồn tại trong khoảng

1   2
u2 

2U 2 sin   E với 1 ,  2 là nghiệm của phương trình

Dịng tải sẽ là:
2U 2 sin   E
R

id 
ud

ud

E

D
+

E

0


2

1



ud

u2



2
2 u2+E

R

id

0

Hình 1.5. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R, E

Khi Diode D cho dòng đi qua thì có thể coi như uD = 0; Khi Diode bị khóa
lại ta có phương trình:
u2 = E + uD ;(Rid = 0) vì vậy điện áp ngược đặt lên Diode là uD = u2 - E
Và điện áp ngược trên Diode : UDmax = 2U 2  E
 Giá trị trung bình của dịng chảy qua Diode và qua tải :


1 2 2U2 sin  E
2U2
2U2  cos1 

Id 

d 
 sin1  (0.6)
 2cos1   sin1  


2 1
R
2 R
R  
T


Với:

   2  1    21
2

T
2U d  cos 1 

Id 
 sin 1 

R  
T


(0.7)
 Để xác định góc 1 ta áp dụng công thức : 2U 2 sin 1  E;1  arcsin
 Dòng điện hiệu dụng qua Diode và tải :

2U2  E 
I  I2 

R

.

2T
22

E
2U 2


Bài tập ví du 1: Cho sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ như hình vẽ1 dịng điện tải,
id, cũng là dịng chảy trong Diode, iD, có dạng trình bày như hình 1b. Khi Diode dẫn
dịng, điện áp rơi trong bản thân nó được mơ tả bằng biểu thức:
uD =0,85 + 0,9.10-3. iD
Hãy tính trị trung bình của công suất tổn thất, P D , trong Diode khi trị trung bình
của dịng tải là Id =200A.

uD

iD

id, iD

IDm

id

u
~

Id

0
a)

b)

Hình 1

t



Bài tập ví dụ 2: Cho sơ đồ chỉnh lưu Diode 1 pha, nữa chu kỳ, trình bày trên hình
(2a). Trị hiệu dụng của điện áp nguồn bằng 240V, tần số f =50Hz. Mạch tải gồm điện
cảm L =0,1H nối tiếp với điện trở R=10  .
a. Xác định dạng sóng dịng điện tải id.
b. Tính trị trung bình của điện áp tải Ud và của dòng điện tải Id.

1.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa (chỉnh lưu hình tia hai
pha)
Tải là R
u' 2

u' ' 2



u' 2
u' ' 2

2



ud



a)

Hình 2.4

b)

23


Biến áp có điểm giữa biến điệp áp sơ cấp u1 thành hai điện áp ngược pha
nhau 1800 ở thứ cấp u 2' và u2'' .
Ở mạch van này các điơt D1, D 2 đấu theo kiểu catơt chung, vì vậy chúng
dsẽ làm việc theo luật dẫn 1 trong đó anơt của điơt D1 nối với u 2' , cịn anơt của
D2 nối với điện áp u2'' . Vì vậy trong khoảng từ (0), điôt D 1 dẫn do u2' > u 2'' ;
cịn trong khoảng (  2) thì D 2 dẫn do u2'' > u 2' . Do vậy điện áp chỉnh lưu ud sẽ
có dạng ở hình 2.4b với: ud = u 2' ở 0
ud = u 2'' ở   2
Điện áp chỉnh lưu nhận được trờn ti l:

- Giá trịtrung bình của điện áp chỉnh l­u:


1
1
UD 
u 2 .d 

2 0






2 .U 2 .Sin .d

0

2. 2
.U 2


Utb =

2U max


(2.8)

- Giá trịtrung bình của dòng tải:
I

U 2 2

.U 2
r
.r

- Giá trịtrung bình của dòng chảy qua điôt:
1
Id
2




0

I
2.U 2
.Sin .d D
r
2

xột in áp ngược trên van, ta giả sử D1 dẫn, D 2 khoá (giai đoạn 0 ).
Lúc này ta thấy D2 được đấu song song với hai cuộn thứ cấp nối tiếp nhau, vì
vậy:
nên điện áp ngược cực đại trên điơt D 2 là Ungmax = 2 2U 2
Mạch chỉnh lưu này được sử dùng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài

kW, nó thích hợp với chỉnh lưu điện áp thâpt vì sụt áp trên đường ra tải chỉ có
một vàn. Nhược điểm của mạch là buộc phải có biến áp đổi số pha. Hơn nữa
một số thông số khác cũng khơng tốt.
Tải là R + L

u1

a
ua0
0
u b0
b

ia

D1
L

R

u
id

i

ud

id

c

0

D2

ib

Hình 2.8. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R, L
24




Cuộn cảm L tích luỹ năng lượng khi dịng id tăng và hồn năng lượng khi
dịng id giảm.
Ta có phương trình mạch điện là phương trình vi phân và giải phương trình
này để tìm Id
did
 Rid  2U 2 sin  t  2U 2 sin 
dt
R
R
 
 
2U 2 
X
X
id  I 0 e

sin      sin  .e 
R2  X 2 


Đối với ½ chu kỳ đầu tiên 0     , I o = 0
X L
ud  L

tg 

X
R

 Nhận xét : Tại bất kỳ thời điểm nào ln ln có điện thế tại điểm a
hoặc b lớn hơn điện thế của điểm c vì vậy khơng thể sử dụng Diode hồn năng
lượng vì nó khơng bao giờ được phân cực thuận và dẫn.
Nếu cuộn cảm có hệ số tự cảm L rất lớn (L = ) thì dịng tải coi như được
nắn thẳng hồn tồn và dịng qua các Diode có dạng xung chữ nhật với biên độ
bằng dịng Id. Điều này dẫn đến sai số trong tính tốn khoảng 15 – 20% so với
thực tế nhưng các kết quả tính tốn là hồn tồn có thể chấp nhận được.
 Điện áp chỉnh lưu vẫn có dạng giống như tải thuần trở, do đó giá trị trung
bình bằng :


Ud 

1
2 2U 2 2U 2 m
2  2U 2 sin  d 

 0, 9U 2
2 0




 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp bằng :


I2 

I
1
I d2 d  d

2 0
2

(2.9)
(2.10)

 Dòng hiệu dụng sơ cấp máy biến áp bằng :
1
I1 
2

2

2

 I 
I
0  Kdba  d  Kdba

(2.11)

 Cơng suất tính tốn máy biến áp bằng :
S

S1  S 2
2

S2 = 2U2I2 = 1.57Pd
S1 = U1I1 = 1.11Pd
S = 1.34Pd
(2.12)
 Tính hệ số cơng suất MBA (coi hiệu suất sơ đồ chỉnh lưu bằng 1) :
Ta có P1 = U1I1cos1 = Pd; P2 = U2I2cos2 = Pd
Pd
P
; cos  2  d
S1
S2
cos 1  cos  2 Pd

cos  MBA 
2
S
cos 1 

(2.13)
25