Giáo trình Điện tử công suất (Nghề Điện công nghiệp Cao đẳng)

BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG

GIÁO TRÌNH
MƠ ĐUN: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Quảng Ninh, năm 2021

1


2


BÀI 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1. Diode
2.1.1. Cấu trúc và kí hiệu
Điốt gồm 2 điện cực, điện cực được nối với bán dẫn loại P được gọi là
anốt (A), điện cực được nối với miền N được gọi là katốt (K).

Hình 1.1: Cấu trúc và ký hiệu của điốt cơng suất

Dịng điện chảy qua điốt làm điốt nóng lên, chủ yếu tại vùng chuyển tiếp,
Đối với điốt loại Si, nhiệt độ mặt ghép Tj cho phép là 200°C.Vượt quá nhiệt độ
này điốt có thể bị phá hỏng. Để làm mát điốt, người ta thường dùng cánh tản
nhiệt được quạt mát với tốc độ gió 10m/s, hoặc cho nước hay dầu biến thế chảy
qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dịng điện.
2.1.2. Đặc tính Vôn-Ampe của điốt

Gồm 2 nhánh: nhánh thuận (1) và nhánh ngược (2).
Dưới điện áp U>0, điốt phân cực thuận, điện thế giảm xuống gần bằng 0.
Khi tăng U, lúc đầu dòng tăng từ từ, sau khi U lớn hơn 0, đến khi điện áp thuận
có giá trị cỡ khoảng 0.7V đối với Si và khoảng 0.3V với Ge. Khi điện áp thuận
vượt q giá trị này thì dịng thuận tăng một cách đáng kể,đường đặc tính có
dạng hàm mũ.
Khi điện áp U<0, điốt bị phân cực ngược. Khi tăng |U|, dòng điện ngược
cũng tăng từ từ đến khi |U|>0.1V, dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài chục
mA. Dòng điện này sẽ phá hỏng điốt, vì vậy để bảo vệ điốt người ta chỉ cho
chúng làm việc dưới điện áp U = (0.7÷0.8V)Uz.

3


2.1.3.Thơng số cơ bản của điốt
- Iđm - dịng điện định mức, giá trị trung bình của dịng điện cho phép
chạy qua điốt, hiện nay dòng điện lớn nhất của một diod công suất tới 7000A
- AU - sụt áp thuận; Sụt áp của diod trong khoảng (0,7 - 2)V
- Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 200 0C
- UNgmax - điện áp ngược lớn nhất mà điốt có thể chịu đựng được, trong
khoảng (50-4000)V
- Irmax - dịng điện nghịch tối đa tần số đóng cắt của điôt tr - thời gian phục
hồi của điôt
2.1.4. Các điốt đặc biệt
- Schottky điốt: độ sụt áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3V). Do đó, nó
được sử dụng cho các mạch điện áp thấp. Điện áp ngược chịu được khoảng 50 100V
- Điốt phục hồi nhanh: được áp dụng trong các mạch hoạt động tần số
cao. Khả năng chịu áp đến vài ngàn volt và dòng vài trăm Amper, thời gian
phục hồi t khoảng vài μs.
- Điốt tần số công nghiệp: các điốt tần số công nghiệp được chế tạo để đạt

độ sụt áp thấp khi dẫn điện. Hệ quả, thời gian t tăng lên. Khả năng chịu áp của
chúng khoảng vài kilovolt và dòng điện vài kiloampe.
2.2. Transistor BJT
2.2.1. Cấu tạo, ký hiệu::
Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lóp: PNP hay NPN.

4


Cấu tạo của transistor NPN

Ký hiệu của transistor NPN

Cấu tạo của transistor PNP

Ký hiệu của transistor NPN

Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và phần
thu. Vùng nền (B) rất mỏng.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động:
Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B-E (PN) là nguyên nhân làm cho
vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B). Hầu hết các điện tử (electron)
sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N
(cực thu), khoảng 1% electron được giữ lại ở vùng B. Các lỗ trống vùng nền di
chuyển vào vùng phát.

Hình 1.2: Sơ đồ phân cực cho Transistor

Mối nối B-E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ
và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B-C được phân cực ngược bởi điện áp

UCC. Bản chất mối nối B-C này giống như một diode phân cực ngược và điện
kháng mối nối B-C rất lớn. Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát
IE. Dòng điện đo được trong mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC
trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC). Dòng IC gồm hai thành phần:
- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron ở cực
phát tới cực thu. Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là
hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt. Hằng số đã được định
nghĩa là a. Vậy thành phần chính của dịng IC là aIE. Thơng thường a = 0,9 →
0,999.
- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược
5


lại khi IE = 0. Dòng này gọi là dòng ICBO- nó rất nhỏ.
- Vậy dịng qua cực thu: IC = aIE + ICBO.
2.2.3. Đặc tuyến V - A của transistor:
Đặc truyến V - A của transistor mắc Emitter chung như hình sau. Đặc
tuyến V-A của transistor được chia ra làm 3 vùng: Vùng cấm, vùng khuếch đại
và vùng bão hồ.

Hình 1.3: Đặc tuyến volampe của Transistor

Trong các ứng dụng của điện tử công suất lớn, người ta chỉ phân cực cho
transistor ở vùng bão hoà (IB lớn) và vùng cấm (IB = 0) mà không phân cực cho
transistor ở vùng khuếch đại. Các thông số của transistor công suất: IC: Dòng
colector mà transistor chịu được, UCEsat là điện áp UCE khi transistor dẫn bão
hòa, UCEO: Điện áp UCE khi mạch bazơ để hở, IB = 0, UCEX là điện áp UCE khi
bazơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0, ton: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị
điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ~ 0, tf: Thời gian cần thiết để ic từ giá trị IC
giảm xuống 0, ts: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UcESat tăng đến giá trị

điện áp nguồn U, P: Công suất tiêu tán bên trong transistor.
Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo cơng thức:
P = U BE - I B + UCE .I C
Khi transistor ở trạng thái ngắt:
IB = 0, Ic = 0 nến P = 0.
Khi transistor ở trạng thái dẫn:
UCE = UCESat
Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn. Trong lúc chuyển
mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn. Tích của dịng
điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng

6


trong một lần chuyển mạch. Cơng suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là
hàm số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc.
2.4. Transistor MOSFET
MOSFET là transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt
thấp. MOSFET được sử dụng trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài KW).
MOSFET có thể có cấu trúc NPN hoặc PNP. Hình vẽ dưới đây mô tả cấu trúc
MOSFET loại NPN và ký hiệu của nó.

MOSFET được điều khiển đóng ngắt bằng xung điện áp đặt vào cực cổng (G).
Khi điện áp dương đặt lên giữa hai cổng G và S thì dòng điện được dẫn từ cực
D tới cực S. MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn nên cơng suất tổn hao khi
dẫn điện lớn. Đặc tính V-A của MOSFET loại N như trên hình vẽ. Đặc tính có
dạng giống như đặc tính V-A của BJT.

MOSFET ở trạng thái ngắt điện khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS. Điện áp
kích cho MOSFET phải ở dạng liên tục. Giá trị điện áp kích tối đa là ±20V.

Mạch kích MOSFET Sơ đồ mạch kích như trên hình đặc tính trên. Khi có điện
áp UG, tụ điện C1 tích điện và dòng điện đi vào cực G:

7


Sau khi xác lập, điện áp trên cực cổng là:

Sơ đồ mạch kích cho MOSFET
Đối với sơ đồ đặc tính, khi điện áp kích U1 ở mức cao, Q1 dẫn và Q2 khóa làm
cho MOSFET dẫn. Khi tín hiệu U1 ở mức thấp, Q1 ngắt, Q2 dẫn làm cho
MOSFET ngắt điện. Mạch kích cho MOSFET có thể được cách ly với mạch tạo
tín hiệu điều khiển thơng qua biến áp xung hoặc optron Sơ đồ mạch kích cho
MOSFET

Mạch cách ly tín hiệu điều khiển với mạch kích

8


Hình dạng một số MOSFET

9


2.4. Transistor IGBT
Nguyên lý cấu tạo, ký hiệu và mạch điện tương đương của IGBT như trên hình
H1.23.

Hình H1.23: Cấu tạo(a), ký hiệu(b) và mạch tương đương(c) của IGBT

Hình H1.21: Mạch cách ly tín hiệu điều khiển với mạch kích IGBT là transistor
cơng suất hiện đại, có kích thước gọn nhẹ, có khả năng chịu được điện áp và
dịng điện lớn, có độ sụt áp khi dẫn điện vừa phải. Việc kích dẫn IGBT được
thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng G. Đặc tính V-A của IGBT có dạng
tương tư như đặc tính V-A của MOSFET. IGBT có khả năng đóng ngắt nhanh
nên được sử dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rông xung tần số cao. Phạm
vi cơng suất của IGBT có thể đến 10MW IGBT có khả năng làm việc với dịng
điện lớn và chịu được điện áp ngược cao. Thời gian đáp ứng đóng ngắt của
IGBT rất nhanh (khoảng vài s). IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần
đến mạch bảo vệ.
Trong trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng
cho IGBT. Module IGBT thông minh (Intelligent Power Module): được chế tạo
bởi cơng nghệ tích hợp cao. Trên module chức phần tử IGBT, mạch kích lái,
mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện. Các module này đạt độ tin cậy rất cao. Mạch
kích IGBT được thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET.

10


Do giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được
chế tạo dưới dạng IC cơng nghiệp. Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá
tải, nắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng module riêng (1, 2, 4, 6 driver) hoặc
tích hợp trên cả module bán dẫn (bao gồm mạch lái, IGBT và mạch bảo vệ).
Hình dạng một số IGBT thực tế (hình H1.24a) và các board mạch điều khiển và
bảo vệ IGBT (hình H1.24b).

Hình H1.24a: Hình dạng một số IGBT thực tế.
2.5. Thyristor SCR
2.5.1. Cấu tạo
Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier: diod chỉnh

lưu được điều khiến bởi cực cổng silicium). SCR gồm 4 lớp bán dẫn P-N ghép
nối tiếp nhau và được nối ra 3 chân .
Chân cho dòng điện vào gọi là cực Anod viết tắt A ,chân cho dòng điện ra
gọi là cực Catod viết tắt K ,chân điều khiến cho dòng điện đi từ A qua K gọi là
cực Gate (cực cửa hay cực cổng ) viết tắt G

11


2.5.2. Nguyên lý họat động và đặc tính của SCR
Để phân tích ngun lý họat động của SCR, ta có the xem SCR giống như
2 transistor gồm 1 transistor lọai NPN và 1 transistor loại PNP ghép lại theo kieu
cực C của NPN nối với cực B của PNP và ngược lại cực C của PNP nối với cực
B của NPN.
Xét mạch thực nghiệm sau:

Hình 1.4: Minh họa hoạt động của SCR

Mạch thực nghiệm SCR được vẽ theo kiếu cấu trúc của SCR gồm 2
transistor, transistor lọai NPN gọi là T1 và transistor lọai PNP gọi là T2.
+ Trường hợp khóa K để hở hay UG = 0V .
Khi điện áp ở cực G bằng 0V tức T1 chưa có dòng phân cực IB1 nên T1
chưa dẫn => IB1 = 0, IC1 = 0, nên IB2 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn. Như vậy trường
hợp này SCR không dẫn điện được, dòng điện qua SCR là IA = 0 và UAK = Ucc
Tuy nhiên khi tăng điện thế nguồn Ucc lên đến giá trị đủ lớn tức điện áp trên
SCR cũng tăng theo và khi đạt đến giá trị điện áp ngập UBO (Breakover) thì điện
áp UAK giảm xuống giống như diod và dòng điện IA tăng nhanh. Lúc này SCR
chuyển sang trạng thái dẫn điện. Dòng điện ứng với lúc điện áp UAK giảm nhanh
gọi là dòng điện duy trì IH (Holding). Sau đó, dặc tính của SCR giống như 1
diode nắn điện.

+ Trường hợp khóa K đóng hay UG > 0V .
Khi đóng khóa K cấp nguồn UDC cho cực cổng SCR, điện trở RG dùng để
giới hạn dịng kích cho cực G của SCR. Lúc này có dịng kích IG > 0 nên SCR
dẫn tức transistor T1 được phân cực ở cực B, IB1 > 0 => có dịng IC1 > 0, dịng
IC1 cũng chính là dòng IB2 nên lúc này T2 cũng dẫn điện và cho dòng IC2 ra,
dòng này đi vào cực nền B1 và lại trở thành dịng IB1 .Do đó mà SCR sẽ tự duy
trì trạng thái dẫn điện trong nguồn 1 chiều mà khơng cần có dịng kích IG liên
12


tục.
Hiện tượng này sẽ lặp lại liên tục, dấn đến 2 transistor đạt đến trạng thái
dẫn bảo hịa, khi đó điện áp UAK giảm rất nhỏ khỏang 0,7V ÷ 1,5V (tùy lọai).
+ Trường hợp phân cực ngược SCR.
Phân cực ngược SCR là nối cực Anode vào nguồn âm và cực Catod vào
nguồn dương của điện áp cung cấp UCC. Trường hợp này giống như Diode bị
phân cực ngược, SCR sẽ khơng dẫn điện mà chỉ có dịng điện rỉ rất nhỏ đi qua
và điện áp rơi trên SCR chính bằng điện áp nguồn (UAK = -UCC) .
Khi tăng điện áp nguồn UCC lên đủ lớn thì SCR sẽ bị đánh thủng và dòng
điện qua theo chiều từ Anod sang Catod (K→A) .Điện áp này gọi là điện áp
ngược UN. Thông thường trị số UN và UBO bằng nhau và ngược dấu.
- Đặc tuyến của SCR:

Qua hình vẽ đặc tuyến Volt - Amprer của SCR ta thấy khi chưa có dịng
kích IGO nếu điện áp đặc vào 2 đầu SCR đủ lớn (UBO) thì SCR sẽ tự dẫn .
Khi điện áp UAK < UBO muốn SCR dẫn thì phải có dịng kích IG > 0. Khi
U2< U1 < UBO muốn SCR dẫn thì phải có dịng IG2 > IG1 > 0.
2.6. Triac
2.6.1. Cấu tạo, ký hiệu
Triac có cấu tạo gồm các lớp bán dẫn P - N ghép nối tiếp nhau và được

nối ra 3 chân, hai chân có dịng điện lớn qua gọi là T1 và T2, chân điều khiển
cho Triac dẫn gọi là cực cổng G.
Triac có thể xem như 2 SCR ghép song song và ngược chiều nhau sao cho
có chung cực cổng G.
Triac là viết tắt của Triode Ac semiconductor switch (hay cịn gọi là khóa
13


điện xoay chiều có 3 cực).
2.6.2. Nguyên lý họat động và đặc tính của Triac

Hình 1.6: Minh họa hoạt động của Triac

Cấu trúc của Triac được xem như 2 SCR ghép song song và ngược chiều
nên khi khảo sát đặc tính của Triac người ta khảo sát như mạch thực nghiệm
sau:
Hình a khi cực T2 có điện áp dương và cực G được kích xung dương thì
Triac sẽ dẫn điện theo chiều từ T2 sang T1.
Hình b khi cực T2 có điện áp âm và cực G được kích xung âm thì Triac sẽ
dẫn điện theo chiều từ T1 sang T2.
Hình c khi Triac được dùng trong nguồn điện xoay chiều, ở bán kỳ dương
cực G cần được kích xung dương ,còn ở bán kỳ âm cực G cần được kích xung
âm. Triac cho dịng điện qua được cả 2 chiều và khi đã dẫn điện thì điện áp rơi
trên 2 cực T1 - T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dùng trong nguồn
điện xoay chiều .
Đặc tính của Triac gồm 2 phần đối xứng nhau qua điểm 0, hai phần này
giống như đặc tuyến của hai SCR mắc ngược chiều nhau.
2.6.3. Các cách kích mở triac

Hình 1.7: Minh họa các cách kích mở của Triac

Thật ra do sự tương tác giữa các vùng bán dẫn mà Triac được kích dẫn
theo 4 cách khác nhau.Với hai cách kích đầu (a) và (b) gọi là kích thuận ta chỉ
cần dịng kích nhỏ đủ để Triac dẫn, cịn với hai cách kích sau (c) và (d) gọi là
kích ngược vì ta phải cần dịng kích lớn mới đủ để làm Triac dẫn.
14


Khi triac đang dẫn, muốn khóa triac ta giảm dịng dẫn xuống dưới dịng duy trì.
(dịng duy trì là dịng nhỏ nhất mà triac dẫn).
2.7. Gate Turn off Thyristor ( GTO )
2.7.1. Cấu tạo
Anốt

p+n+ p+

n+ p+

n+

J3

J2

pn+

n+

n+

J1

Cực điều khiển

Catốt

Sơ đồ nối, đặc điểm của Thiristor khóa được bằng cực điều khiển GTO.
Một thiristor thông thường cực điều khiển chỉ được dùng để xác lập thời điểm
mở cho dòng chảy qua và trạng thái mở được duy trì khi nào dịng điện qua nó
cịn lớn hơn hay bằng dịng duy trì IH.

Hình 1.13
Đối với GTO việc kích mở và cắt dịng qua nó được thực hiện từ cực điều khiển
Ưu điểm của GTO:
- Cấu hình mạch cơng suất đơn giản hơn.
- Thể tích và trọng lượng nhỏ hơn.
- khơng gây ra nhiễu điện bà nhiễu âm.
- Khơng có tổn thất chuyển mạch.
- Hiệu suất cao
Mở GTO: được thực hiện giống tiristor thông thường.
Khóa GTO: để khóa GTO người ta đặt một điện áp âm ( so với ka tốt) vào cực
điều khiển.
15


Mạch điện đơn giản điều khiển kích mở và khóa GTO được trình bày trên hình
1.14
Khi UC là một xung áp dương, tranzitor mở, dòng điện từ nguồn E chảy vào cực
G từ E(+)  T1 R1 C1, GTO mở cho dòng chảy qua. Tụ điện C1 được nạp
đến điện áp 12V

- Khi UC là một xung âm, T1 khóa, T2 mở, tụ C đặt điện áp âm tên cực G của
GTO làm nó bị khóa.

Hình 1.14
2.7.2 Cấu trúc chung của sơ đồ chỉnh lưu
a.Các khái niệm cơ bản
* Chỉnh lưu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng
điện 1 chiều, cung cấp cho nhiều loại phụ tải khác nhau. Một số phụ tải một
chiều như sau:
- Các động cơ một chiều.
- Hệ thống cung cấp kích từ cho các máy phátđiện đồng bộ, máy phát hoặc
động cơ.
- Các q trình cơng nghệ điện hóa u cầu nguồn điện một chiều dòng điện
rất lớn như mạ, điện phân, xử lý hóa học bề mặt....
- Các hệ thống nạp điện cho ắc quy.
Các bộ nguồn một chiều cho các thiết bị điều khiển, viễn thông.
Trong các hệ thống truyền tải điện một chiều công suất lớn.
* Các bộ chỉnh lưu thường dùng là các phần tử bán dẫn công suất (điôt,
tranzitor, Thyristor...). Tùy theo thiết bị chỉnh lưu mà người ta phân thành:
- Chỉnh lưu không điều khiển (dùng điơt)
- Chỉnh lưu có điều khiển (dùng Thyristor)
* Để chỉnh lưu tín hiệu cơng suất nhỏ thường dùng bộ chỉnh lưu 1 pha và
chỉnh lưu tín hiệu cơng suất lớn thường dùng bộ chỉnh lưu 3 pha. Điện áp và
dịng điện sau chỉnh lưu có chiều khơng thay đổi nhưng vẫn dao động về trị số,
16


để hạn chế dao động thường người ta cho qua bộ lọc.
*Người ta có thể phân loại chỉnh lưu theo sơ đồ sau:

Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu(Nếu là CL KĐK thì Khối 2 là các
Van CL khơng có ĐK, khối 4, 5 khơng có..)

Khối 1: MBA dùng để phối hợp mức điện áp giữa điện áp lưới và điện áp
đầu vào bộ chỉnh lưu. MBA là bộ phận bắt buộc đối với các sơ đồ hình tia
nhưng khơng bắt buộc đối với sơ đồ hình cầu.
- Khối 2: Sơ đồ van chỉnh lưu. Gồm các van bán dẫn được nối theo sơ đồ
chỉnh lưu cụ thể, có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một
chiều.
- Khối 3: Khâu lọc gồm các phần tử phản kháng như tụ điện, cuộn cảm có
chức năng san bằng điện áp chỉnh lưu, giảm thành phần đập mạch của điện áp ra
một chiều đến mức độ cho phép.
- Khối 4: Mạch đo lường gồm các khâu tạo tín hiệu về dịng điện, điện áp
phục vụ cho các chức năng về điều chỉnh, các chức năng theo dõi, hiển thị và
bảo vệ của cả hệ thống.
- Khối 5: Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong mạch chỉnh lưu có điều
khiển. Có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển với góc pha điều khiển điều
chỉnh được, đồng pha với điện áp xoay chiều, đưa đến cực điều khiển của các
-

17


van bán dẫn có điều khiển (Thyristor).
b. Các tham số cơ bản.
Các tham số cơ bản dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản nhất của
một mạch chỉnh lưu:
Ud: giá trị điện áp trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu.
T

Ud 

1
1
u d (t )dt 

T0
2

2

u

d

( )d

0

Id : Dịng điện trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu
Id 

1
2

2

i

d

( )d

0

Pd= Ud. Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu.
Ivtb: dịng trung bình qua van
Ung max: điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

18


CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP BÀI 1

Câu 1: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động của Diode cơng suất?
Câu 2: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, ngun lý hoạt động của Thyristor?
Câu 3: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động của Diac, Triac?
Câu 4: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động của Transistor cơng
suất?
Câu 5: Nêu và phân tích cấu trúc chung của sơ đồ chỉnh lưu?
Câu 6: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha
nửa chu kỳ khơng có điều khiển?
Câu 7: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha
nửa chu kỳ có điều khiển?
Câu 8: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha
hai nửa chu kỳ khơng có điều khiển?
Câu 9: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha
hai nửa chu kỳ có điều khiển?
Câu 10: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu cầu?
Câu 11: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu cầu có

điều khiển?
Câu 12: Vẽ sơ đồ và phân tích ngun lý làm việc của mạch chỉnh lưu bap ha
hình tia khơng có điều khiển?
Câu 13: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu ba pha
hình tia có điều khiển?

19


BÀI 2: BỘ CHỈNH LƯU
2.1. Chỉnh lưu có điều khiển
2.1.1. Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ

Sơ đồ mạch:
i2

T iT

ud

U

id

i1
u1

t

u2

Ud



Rd

t1 

xung

t
Hình 1.8. Chỉnh lưu diode hình tia

Hình 1.9. Đồ thị điện áp

Nguyên lý làm việc:
Trong sơ đồ này ở giai đoạn (0   ) mặc dù điện áp trên tiristo T đã dương,
song phải đến thời điểm  thì tiristo mới nhận được tín hiệu điều khiển IG từ
khâu phát xung (FX). Do đó:
Trong giai đoạn (0   ) tiristo khoá:

ud = 0.

Trong giai đoạn (   ) tiristo dẫn:

ud  u2 ( )

Trong giai đoạn (  2 ) tiristo khoá: ud  0
Điện áp ud chỉ là một phần của u2 với độ lớn tuỳ thuộc góc . Ta có:

U d 

1
2

U d  U d 0

2

 ud ( )d 
0

1
2






2U 2 sin  d 

2



U2

(1  cos )
2

(1  cos )
 U d 0 f ( )
2

Biểu thức này cho thấy điện áp chỉnh lưu Ud là một hàm phụ thuộc vào
góc điều khiển . Như vậy muốn điều chỉnh điện áp ra tải chỉ cần tác động vào
tham số . Bằng cách thay đổi  từ 0 đến 1800 ta điều chỉnh được điện áp Ud từ
giá trị lớn nhất Ud0 đến giá trị nhỏ nhất (bằng 0).
2.1.2. Chỉnh lưu hình tia 1 pha 2 nửa chu kỳ

20


Sơ đồ mạch

T1

U21
Rd

id

Uvào
ud

U22
T2

Trong đó:

- Trong sơ đồ này BA cịn có chức năng là tạo ra hệ thống điện áp xoay
chiều hai pha khơng có trong lưới điện cơng nghiệp. BA có một cuộn sơ cấp
được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u1, hai cuộn thứ cấp là w21, w22 có
số vịng bằng nhau và đấu như hình vẽ. Như vậy trên w21, w22 ta có các điện áp là
u21, u22 thoả mãn quan hệ: u21 = u22, đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha
cần thiết.
- Các thyristor T1, T2 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành một
chiều.
- Rd các phần tử phụ tải.
Nguyên lý làm việc và giản đồ tín hiệu
- Nguyên lý làm việc:
Trường hợp phụ tải Rd:
Với trường hợp này phụ thuộc vào giá trị Ed,  mà xảy ra một số trường
hợp khác nhau.
Ở đây ta xét một trường cụ thể với giá trị :
- Tại t = 1 =  ta truyền xung điều khiển đến mở T1, giả thiết rằng trước
đó (t = 0 đến t <1) thì trong sơ đồ chưa có van nào làm việc nên id = 0 và ud
= 0. Vậy tại 1 thì uT1= u21>0, có đủ 2 điều kiện để T1 mở T1 sẽ mở, sụt điện áp
trên T1 giảm về bằng khơng nên ta có điện áp chỉnh lưu tức thời ud=u21. Lúc này
trong sơ đồ xuất hiện dòng điện đi từ đầu pha thứ nhất (điểm 1) qua T1, qua phụ
tải và quay về pha thứ nhất thứ cấp máy biến áp BA. Van T2 lúc này bị đặt điện
áp ngược và khố lại, ta có:
iT1= id = ud/Rd = u21/Rd ;
iT2 = 0 ;
uT1= 0 ;
uT2 = 2u22 ;
- Đến thời điểm t =  thì u21 = 0 lúc đó dịng qua T1 và phụ tải bằng
khơng và có xu hướng muốn đổi chiều, nhưng do tính dẫn dòng một chiều của
21

các van mà T1 sẽ khố lại cịn T2 thì chưa có điều kiện mở nên dịng tải sẽ bằng
khơng trong giai đoạn tiếp. Trong giai đoạn này cả 2 van T1 và T2 đều khoá:
ud = 0;
iT1=0;
iT2 = 0;
uT1= 0 ;
uT2 = 0 ;
- Tại t = 2 =  + , van T2 có tín hiệu điều khiển và uT2 = u22 > 0, đủ hai
điều kiện cho T2 mở. VanT2 mở thì sụt áp trên nó giảm về khơng nên ud = u22,
van T1 thì bị đặt điện áp ngược và đang khoá. Trong giai đoạn này ta có
iT1 = 0;
iT2= id = ud/Rd= u22/Rd;
uT1 = 2u21; uT2= 0;
Tại t = 2 thì u22 = 0 lúc đó dịng qua T2 và phụ tải bằng khơng và có xu
hướng muốn đổi chiều, nhưng do tính dẫn dịng một chiều của các van mà T2 sẽ
khố lại cịn T1 thì chưa có điều kiện mở nên dịng tải sẽ bằng trong giai đoạn
tiếp. Trong giai đoạn này cả 2 van T1 và T2 cũng đều khoá (tương tự như giai
đoạn t =  t = 2):
ud = E d;
uT1= u21;

iT1=0;
uT2 = u22 ;

iT2 = 0;

- Tại t = 3 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển và uT1 > 0 nên T1 lại mở, sơ
đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ t = 1. Giai đoạn từ t = 0  t = 1 cũng
giống như giai đoạn t =2  t = 3 (do tính chất lặp đi lặp lại trong sơ đồ

chỉnh lưu).
Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng các van, dòng điện chỉnh lưu, điện áp trên
T1 biểu diễn trên hình vẽ:
Điện áp chỉnh lưu trung bình của trường hợp này là:
 
 
U  (2/ 2 )[  U m sin(t )d (t )   E .d (t )]
d

  d





1
U d    . U m cos  cos         .Ed
 



Dịng trung bình qua một thyristor:
ITtb= (1/2).{Um[cos-cos (-)]-(--)}/Rd.
Ở đây giá trị góc  được xác định như sau:  = arcsin (1/Um)
- Giản đồ tín hiệu:

22


u21

u

u22

ud (nét đậm)
id(nét mảnh)

0

iT1

3

1

2




2

0

iT2

2

t

1


t

3

2


t

0

id

t

0

uT1

2u21
u21

uT1 nét đậm
t

0
u21

2.1.3. Chnh lu hỡnh cu 1 pha
Sơ đồ mạch:
i2
u1

T1
A

T2
id

u2

Z

ud

B
T4

T3

Giới thiệu các phần tử trên sơ đồ:

- BA là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu 1 pha thì có thể dùng hoặc
khơng dùng máy biến áp.
23


- Các van có điều khiển T1 T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành
một chiều, 4 van này được phân làm hai nhóm: nhóm Cathode chung gồm T1 và
T3, nhóm anode chung gồm T2 và T4
 Rd là các phần tử phụ tải.
 u1, u2 là điện áp trên cuộn sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thứ cấp
 i1, i2 là dòng điện cuộn sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện cuộn thứ cấp.
 Dòng, áp các phần tử khác tương tự như các sơ đồ khác.
Nguyên lý làm việc
Ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp giả thiết phụ tải có
Ld=, và xem rằng sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét. Với
đồ thị điện áp nguồn và giá trị góc điều khiển  như trên hình vẽ có ngun lý
làm việc của sơ đồ như sau:
Giả thiết là trong khoảng lân cận phía trước thời điểm t=1= thì trong
sơ đồ hai van T3 và T4 đang dẫn dịng. Tại t=1= thì 2 van T1 và T2 đồng thời
có tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận (uT1=uT2=u2) do
vậycả 2 van cùng mở. Hai van T1,T2 mở nên sụt điện áp trên chúng giảm về
bằng không và ta có: ud=u2; uT3=uT4=-u2 và tại t=1= thì u2>0, tức là T3,T4 bị
đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm này (t=1) trong sơ đồ chỉ có 2 van
T1, T2 dẫn dòng. Khi 2 van T1, T2 làm việc thì:
ud = u2;
uT1 = uT2 = 0;
uT3 = uT4 = -u2;
iT1 = iT2 = id = Id; iT3 = iT4 =0;
Đến t= thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm nên nó tác động
ngược với chiều dòng qua T1 và T2, đồng thời trên T3 và T4 lúc này có điện áp

thuận nhưng T3 và T4 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, vì vậy mà T1 và
T2 tiếp tục dẫn dòng bởi s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld do dịng tải có xu hướng
giảm. Do T1 và T2 vẫn mở nên các biểu thức áp và dòng trên các phần tử của sơ
đồ vẫn giữ nguyên như trên.
Tại t=2=+ thì T3 và T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển,trên 2 van
đang có điện áp thuận nên T3 và T4 cùng mở. Hai van T3, T4 mở nên sụt điện áp
trên chúng giảm về bằng khơng và ta có: ud= -u2; uT1=uT2=u2 và tại t=2=+
thì u2 < 0, tức là T1, T2 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm này
(t=2) trong sơ đồ chỉ có 2 van T3, T4 dẫn dòng. Khi 2 van T3, T4 cùng làm
việc thì:
ud= -u2;
uT1= uT2= u2;
uT3=uT4=0;
iT1=iT2=0; iT3=iT4= id=Id
Đến t = 2 thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương và nó tác
động ngược với chiều dịng qua T3 và T4, đồng thời trên T1 và T2 lúc này có điện
áp thuận nhưng T1 và T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, nên s.đ.đ. tự
cảm sinh ra trong Ld vẫn làm cho T3 và T4 tiếp tục dẫn dòng
24


Đến t = 3 = 2 +  thì T1 và T2 lại đồng thời có tín hiệu điều khiển và
T1 và T2 lại cùng làm, T3 và T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm
này sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ t = 1 = .
Giai đoạn t = 0  1 có thể suy ra từ giai đoạn t = 2  3 do tính chất
lặp đi lặp lại khi sơ đồ làm việc, ta thấy rằng nó hồn tồn phù hợp với giả thiết
ban đầu là T3 và T4 dẫn dịng.
Tóm tắt sự làm việc của sơ đồ trong hơn 1 chu kỳ như sau:
- Từ t = 0  t = 1 và từ t = 2t = 3 thì 2 van T3 và T4 dẫn dịng:
ud= -u2;

uT1= uT2= u2;
uT3 = uT4 = 0;
iT1= iT2 = 0;
iT3= iT4 = id = Id;
- Từ t = 1t = 2 thì 2 van T1 và T2 dẫn dịng:
ud = u2;
uT1= uT2 = 0;
uT3= uT4 = -u2;
iT1 = iT2 = id = Id;
iT3 = iT4 = 0;
Dòng điện cuộn dây thứ cấp và sơ cấp được xác định như sau:
i2 = iT1-iT4 = iT2-iT3; i1 = i2/kba
Đồ thị dòng và áp một số phần tử trong sơ đồ được biểu diễn trên hình vẽ
- Các biểu thức cơ bản
U d  U do cos  ,
U do  (2 2 /  ).U 2  0,9.U 2
Trong đó U2 giá trị hiệu dụng của điện áp bên thứ cấp BA
Đồ thị dịng điện, điện áp
u2

u

1

0

ud (nÐt ®Ëm)

-u2

2


iT1= iT2
0

1



iT3=iT4
0

1=

i1
0

1=

3

t


2

Id

t

2




3

2
t

Id



2
t

Id/kba


2

uT1=uT2

0

1

2

2

3

t



25