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

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐÀ NẴNG

GIÁO TRÌNH
ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Nghề:
ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP
Trình độ:
CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số
/QĐ-CĐN ngày tháng
Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Đà Nẵng)

Đà Nẵng, năm….
1

năm của


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

1


LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình Điện tử cơng suất là giáo trình được biên soạn ở dạng cơ bản và
tổng quát cho học sinh, sinh viên nghề Điện công nghiệp, Điện tử công nghiệp,
Điện tử dân dụng từ kiến thức nền cho đến kiến thức chuyên sâu. Giáo trình giúp
học sinh, sinh viên có được kiến thức chung rất hữu ích khi cần phải nghiên cứu
chuyên ngành sâu hơn. Mặc khác giáo trình cũng đã đưa vào các nội dung mang
tính thực tế giúp học sinh, sinh viên gần gũi, dễ nắm bắt vấn đề khi va chạm
trong thực tế.
Trong quá trình biên soạn giáo trình, tác giả đã tham khảo rất nhiều các tài
liệu của các tác giả khác nhau cả trong và ngoài nước.
Tác giả cũng xin chân thành gởi lời cảm ơn đến lãnh đạo nhà trường
Trường Cao đẳng nghề Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hồn thành
giáo trình này. Đặc biệt là sự giúp đỡ hỗ trợ nhiệt tình của tập thể giáo viên bộ
môn Điện tử, khoa Điện – Điện tử của trường cũng như các bạn đồng nghiệp đã
nhiệt tình đóng góp ý kiến trong q trình biên soạn.
Đà Nẵng, tháng
Tham gia biên soạn
Chủ biên: ThS. Nguyễn Thị Mỹ Dung

2


MỤC LỤC
GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN .................................................................................... 5
BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT .......................................... 7
I. Q TRÌNH PHÁT TRIỂN ................................................................. 7
II. NGUYÊN TẮC BIẾN ĐỔI TĨNH ........................................................ 9
1. Sơ đồ khối ............................................................................................... 9
2. Các loại tải ............................................................................................ 10
3. Các van biến đổi.................................................................................... 11
III. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN ................................................. 11

1. Trị trung bình (Average) ....................................................................... 11
2. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms) ................................................. 12
3. Công suất trung bình ............................................................................. 13
BÀI 2: CƠNG TẮC ĐIỆN TỬ ......................................................................... 15
I. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ................................................. 15
1. Phân loại ............................................................................................... 15
2. Diode công suất ..................................................................................... 16
3. BJT Công Suất (Bipolar Juntion Transistor) .......................................... 19
4. MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor) ..... 26
5. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ............................................. 28
6. SCR (Silicon Controlled Rectifier) ........................................................ 29
7. Triac ...................................................................................................... 33
8 GTO ....................................................................................................... 34
II. CÔNG TẮC XOAY CHIỀU .............................................................. 34
1. Đại cương ............................................................................................. 34
2. Công tắc xoay chiều .............................................................................. 34
III. CÔNG TẮC MỘT CHIỀU ............................................................... 35
1. Đại cương ............................................................................................. 35
2. Công tắc DC dùng transistor ................................................................. 35
3. Công tắc DC dùng GTO thyristor .......................................................... 36
4. Công tắc DC dùng thyristor ................................................................... 36
BÀI 3: CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT KHÔNG ĐIỀU KHIỂN .......................... 37
I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................................... 37
II. CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT MỘT PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN ....... 37
3


2. Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ ................................................... 40
III. CHỈNH LƯU 3 PHA VỚI CÁC LOẠI TẢI ..................................... 45
1. Chỉnh lưu 3 pha hình tia ...................................................................... 45

2. Chỉnh lưu 3 pha cầu............................................................................. 49
BÀI 4: MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT CÓ ĐIỀU KHIỂN ...................... 54
I. TỔNG QUAN MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT ..... 54
II. CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN ............... 55
1. Chỉnh lưu công suất một nửa chu kỳ .................................................. 55
2. Chỉnh lưu cơng suất hai nửa chu kỳ có điều khiển ............................ 57
3. Chỉnh lưu cơng suất cầu một pha có điều khiển ................................. 59
III. CHỈNH LƯU CƠNG SUẤT BA PHA CĨ ĐIỀU KHIỂN ................. 61
1. Chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển ............................................... 61
2. Chỉnh lưu 3 pha cầu có điều khiển ..................................................... 65
BÀI 5: ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ............................................. 70
II. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA .......................... 71
1. Trường hợp tải thuần trở ....................................................................... 71
2. Trường hợp tải L ................................................................................... 73
3. Trường hợp tải RL ................................................................................ 74
III. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU BA PHA............................ 75
IV. BIẾN TẦN....................................................................................... 78
1. Đại cương ............................................................................................ 78
2. Biến tần gián tiếp .................................................................................. 79
3. Biến tần trực tiếp ................................................................................... 79
BÀI 6: NGHỊCH LƯU ..................................................................................... 83
I. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ........................................................... 83
II. NGHỊCH LƯU ĐIỀU KHIỂN NGUỒN DÒNG ................................. 83
1. Bộ nghịch lưu dòng một pha ................................................................. 83
2. Bộ nghịch lưu dòng ba pha .................................................................... 84
III. NGHỊCH LƯU ĐIỀU KHIỂN NGUỒN ÁP ...................................... 84
1. Bộ nghịch lưu áp một pha ............................................................... 84
2. Bộ nghịch lưu áp ba pha .................................................................. 90
3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp ...................................... 93
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 97

4


GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN
Tên Mơ đun: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Mã Mơ đun: ĐCN13
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học/mơ đun:
- Vị trí:
+ Mơ đun Điện tử cơng suất được bố trí sau khi hồn thành các mơn học
thuộc nhóm mơn cơ sở.
+ Mơ đun này có ý nghĩa bổ trợ các kiển thức cần thiết về lĩnh vực điện tử
cho học viên ngành điện. làm cơ sơ để tiếp thu các môn học, mô đun khác như:
PLC cơ bản, kỹ thuật cảm biến....
- Tính chất:
+ Là mơn học chun mơn trong chương trình đào tạo.
Mục tiêu của mơn học/mơ đun:
- Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử
cơng suất
- Giải thích được các thơng số kỹ thuật của linh kiện.
- Phân biệt được các bộ biến đổi cơng suất.
- Phân tích được ngun lý làm việc của mạch điện tử công suất.
- Kiểm tra được chất lượng các linh kiện điện tử công suất.
- Lắp được các mạch điện tử công suất ứng dụng trong công nghiệp.
- Kiểm tra sửa chữa đạt yêu cầu về thời gian với độ chính xác.
- Thay thế các linh kiện, mạch điện tử cơng suất hư hỏng.
- Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong cơng việc.
- Tn thủ các quy tắc an tồn khi lắp đặt các mạch điện, điện tử.
- Sử dụng được các thiết bị đo lường điện điện tử.
- Kiểm tra và thử mạch. Phát hiện được sự cố và có biện pháp khắc phục.
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo trong

học tập.
- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.

5


Nội dung của mơ đun:
Thời gian
Số
TT

Tên bài/mục

Thực
hành, thí
Tổng
Lý
nghiệm ,
số
thuyết
thảo luận,
Bài tập

Kiểm tra

1

Tổng quan về điện tử công
suất

3

3

0

0

2

Công tắc điện tử (van bán
dẫn công suất)

12

4

8

0

3

Chỉnh lưu công suất không
điều khiển

15

2

12

1

4

Chỉnh lưu cơng suất có
điều khiển

15

2

13

0

5

Điều chỉnh điện áp xoay
chiều

15

2

12

1

6

Nghịch lưu

15

2

12

1

75

15

57

3

Cộng

6


BÀI 1:

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

Mục tiêu:

- Trình bày được bản chất, yêu cầu của quá trình điều khiển theo nội dung đã
học.
- Giải thích được cấu trúc, đặc tính các khâu cơ bản trong hệ thống theo nội
dung đã học.
- Chủ động, sáng tạo trong học tập.
Nội dung chính:
1. Q trình phát triển
2. Ngun tắc biến đổi tĩnh
3. Các đại lượng điện cơ bản
I. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN
Điện tử cơng suất có thể được xếp vào phạm vi các môn thuộc về kỹ thuật
năng lượng của ngành kỹ thuật điện nói chung. Tuy nhiên việc nghiên cứu
khơng chỉ dừng lại ở phần cơng suất mà cịn được ứng dụng trong các lỉnh vực
điều khiển khác Kể từ khi hiệu ứng nắn điện của miền tiếp xúc PN được cơng
bố bởi Shockley vào năm 1949 thì ứng dụng của chất bán dẩn càng ngày càng đi
sâu vào các lĩnh vực chuyên môn của ngành kỹ thuật điện và từ đó phát triển
thành ngành điện tử cơng suất chun nghiên cứu về khả năng ứng dụng của
chất bán dẩn trong lĩnh vực năng lượng Với sự thành công trong việc truyền tải
dòng điện 3 pha vào năm 1891, dòng điện một chiều được thay thế bởi dòng
điện xoay chiều trong việc sản xuất điện năng, do đó để cung cấp cho các tải
một chiều cần thiết phải biến đổi từ dòng điện xoay chiều thành một chiều, yêu
cầu này có thể được thực hiện bằng hệ thống máy phát - động cơ như vẻ ở hình
1.1. Hiện nay phương pháp này chỉ còn áp dụng trong kỹ thuật hàn điện.

Hình 1.1. Nguyên lý hệ biến đổi quay
Thay thế cho hệ thống máy điện quay nói trên là việc ứng dụng đèn hơi thủy
ngân để nắn điện kéo dài trong vịng 50 năm và sau đó chấm dứt bởi sự ra đời
của thyristor. Điện tử công suất nghiên cứu về các phương pháp biến đổi dòng
7

điện và cả các yêu cầu đóng/ngắt và điều khiển, trong đó chủ yếu là kỹ thuật
đóng/ngắt trong mạch điện một chiều và xoay chiều, điều khiển dòng một chiều,
xoay chiều, các hệ thống chỉnh lưu, nghịch lưu nhằm biến đổi điện áp và tần số
của nguồn năng lượng ban đầu sang các giá trị khác theo yêu cầu (hình 1.2)

Hình 1.2. Dịng năng lượng trong hệ biến đổi tĩnh
Ưu điểm của các mạch biến đổi điện tử so với các phương pháp biến đổi khác
được liệt kê ra như sau:
- Hiệu suất làm việc cao
- Kích thước nhỏ gọn
- Có tính kinh tế cao
- Vận hành và bảo trì dể dàng
- Khơng bị ảnh hưỡng bởi khí hậu, độ ẫm nhờ các linh kiện đều được bọc
trong vỏ kín
- Làm việc ổn định với các biến động của điện áp nguồn cung cấp
- Dễ dự phòng, thay thế
- Tuổi thọ cao
- Khơng có phần tử chuyển động trong điều kiện tỏa nhiệt tự nhiên, có thể
làm mát bằng quạt gió để kéo dài tuổi thọ
- Đáp ứng được các giá trị điện áp và dòng điện theo yêu cầu bằng cách ráp
song song và nối tiếp các thyristor lại với nhau.
- Chịu được chấn động cao, thích hợp cho các thiết bị lưu động
- Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, thơng số ít thay đổi theo nhiệt độ
- Đặc tính điều khiển có nhiều ưu điểm

8


II. NGUYÊN TẮC BIẾN ĐỔI TĨNH

1. Sơ đồ khối
Trong lỉnh vực điện tử công suất, để biểu diễn các khối chức năng người ta
dùng các ký hiệu sơ đồ khối, điện năng truyền từ nguồn (có chỉ số 1) đến tải (có
chỉ số 2)
1.1 Chỉnh lưu
Nhiệm vụ của mạch chỉnh lưu nhằm biến đổi năng lượng nguồn xoay chiều
một pha hoặc ba pha sang dạng năng lượng một chiều (hình 1.3)

Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu
1.2 Nghịch lưu
Nhiệm vụ mạch nghịch lưu nhằm biến đổi năng lượng dòng một chiều thành
năng lượng xoay chiều một pha hoặc ba pha (hình 1.4)

Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ nghịch lưu
1.3 Các hệ biến đổi
Các mạch biến đổi nhằm thay đổi dịng xoay chiều có điện áp, tần số và số
pha xác định sang các giá trị khác (hình 1.5)

9


Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ biến đổi
Dịng một chiều có điện áp xác định sang dịng một chiều có giá trị điện áp
khác (converter DC to DC)
Mạch biến đổi thường là sự kết hợp từ mạch chỉnh lưu và mạch nghịch lưu.
Do đó, lại được chia làm hai loại: Biến đổi trực tiếp và biến đổi có khâu trung
gian
2. Các loại tải
Tính chất của tải có ảnh hưởng rất quan trọng đến chế độ làm việc của các
mạch đổi điện, người ta chia tải thành các loại như sau:

2.1 Tải thụ động
Tải thuần trở chỉ bao gồm các điện trở thuần, đây là loại tải đơn giản nhất,
dòng điện qua tải và điện áp rơi trên tải cùng pha với nhau. Loại này được ứng
dụng chủ yếu trong lỉnh vực chiếu sáng và trong các lò nung.
Tải cảm kháng có đặc tính lưu trữ năng lượng, tính chất này được thể hiện ở
hiện tượng san bằng thành phần gợn sóng có trong điện áp một chiều ở ngỏ ra
của mạch nắn điện và xung điện áp cao xuất hiện tại thời điểm cắt tải
Các ứng dụng quan trọng của loại tải này là: Các cuộn kích từ trong máy
điện (tạo ra từ trường), trong các thiết bị nung cảm ứng và các lị tơi cao tần.
Trong các trường hợp này điện cảm thường được mắc song song với điện dung
để tạo thành một khung cộng hưởng song song
2.2 Tải tích cực
Các loại tải này thường có kèm theo một nguồn điện áp (hình 1.6) như các
van chỉnh lưu ở chế độ phân cực nghịch. Ví dụ: Q trình nạp điện bình ắc quy
và sức phản điện của động cơ điện.

10


Hình 1.6 Sơ đồ tương đương của một tải trở kháng với sức phản điện
3. Các van biến đổi
Các van điện là những phần tử chỉ cho dòng điện chảy qua theo một chiều
nhất định. Trong lĩnh vực điện tử cơng suất đó chính là các diode bán dẫn và
thyristor kể cả những transistor công suất
3.1 Van không điều khiển được (diode)
Một diode lý tưởng chỉ cho dòng điện chạy qua nó khi điện áp anode dương
hơn cathode, điện áp ngõ ra của diode chỉ phụ thuộc theo điện áp ngõ vào của
diode đó
3.2 Van điều khiển được (thyristor)
Một chỉnh lưu có điều khiển lý tưởng vẫn khơng dẫn điện mặc dù giữa anode

và cathode được phân cực thuận (anode dương hơn cathode). Điều kiện để các
van này dẫn điện là đồng thời với chế độ phân cực thuận phải có thêm xung kích
tại cực cổng (UAK dương và UGK dương). Điện áp ngõ ra không những phụ
thuộc theo điện áp vào mà còn phụ thuộc theo thời điểm xuất hiện xung kích
(đặc trưng bởi góc kích α)
III. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN
1. Trị trung bình (Average)
Cho dịng điện i(t) và điện áp u(t) có chu kỳ T. Trị trung bình của dịng và áp
được tính bằng cơng thức:
I = ∫

U = ∫

i(t) dt

u(t) dt

(1.1)
(1.2)

Với: t0 – là thời điểm đầu của chu kỳ lấy tích phân.
Ở chế độ xác lập trị trung bình điện áp trên L bằng 0. Vì thế trị trung bình
dịng khơng phụ thuộc vào giá trị L mà chỉ phụ thuộc vào R và dịng trung bình
qua tải được tính bằng cơng thức:
11


I =

⋃

I

=

(1.3)

2. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms)

U

=

(1.4)

i (t) dt

∫

(1.5)

u (t) dt

∫

Ví dụ 1: Cho dịng điện có dạng như hình H1 với Ip = 100A, T = 20ms,
T0 = 10ms. Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của dịng điện.

Hình H1
Giải:

Dịng điện trung bình :
I = ∫

i(t) dt = ∫ i(t) dt = ∫

dt =



=

Dòng điện hiệu dụng :

I

=

∫

i (t) dt =

dt =

= 100

.

= 50A

=

Ví dụ 2: Cho điện áp có dạng như hình H2 với u (t ) = U
220V. Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của điện áp.

Hình H2
12

√

m

A
sinωt (V). Um =


Giải:
Điện áp trung bình:
U = ∫

u(t) dt =

Điện áp hiệu dụng:

U

u (t) dt =

=

∫

=

= 110√2 V

=

∫ [sin (

sin( t) d(ωt) =

∫

∫ [

)] dt(ωt)

sin (
=

=

)] dt(ωt)
∫

(

√

= 99V

)

(ωt)

3. Cơng suất trung bình
Cơng suất tức thời của tải được xác định bằng công thức:
p(t) = u(t).i(t)

(1.6)

Vì thế cơng suất trung bình của tải được xác định bằng cơng thức:
p = ∫

u(t)i(t) dt

(1.7)

Nếu dịng tải khơng đổi theo thời gian thì cơng suất trung bình của tải được
tính bằng cơng thức:
Pd = Ud.Id

(1.8)

Tụ điện và cuộn kháng không tiêu hao công suất.
3.4. Hệ số công suất
Là tỷ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp
cho tải.
(1.9)

λ=

Nếu nguồn áp có dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử R, L, C có giá trị
khơng đổi thì dịng điện qua tải cũng có dạng sin và lệch pha vối điện áp một
góc là φ .Ta có biểu thức tính hệ số cơng suất như sau:
P = m.U.I.cos φ ; S = m.U.I
(1.10)

λ=

Trong đó: U, I: lần lượt là trị hiệu của điện áp và dòng điện qua tải.
m: là tổng số pha

13


CÂU HỎI ƠN TẬP VÀ BÀI TẬP
Câu hỏi ơn tập:
Câu 1: Trình bày quá trình phát triển của điện tử công suất ?
Câu 2: Vẽ sơ đồ khối của hệ chỉnh lưu, hệ nghịch lưu và hệ biến đổi năng
lượng ?
Câu 3: Cơng thức tính dịng điện và điện áp trung bình ?
Câu 4: Cơng thức tính dịng điện và điện áp hiệu dụng ?
Bài tập
Bài 1: Cho điện áp có dạng như hình H3 với u (t ) = U m sin ωt (V). Um = 220V.
Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của điện áp.

Hình H3
Bài 2: Cho điện áp có dạng như hình H4 với u (t ) = U m sin ωt (V). Um = 220V.
Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của điện áp.

Hình H4

14


BÀI 2:

CÔNG TẮC ĐIỆN TỬ

Mục tiêu :
- Phát biểu được đặc tính, nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công
suất theo nội dung đã học.
- Kiểm tra chất lượng của linh kiện điện tử công suất đúng yêu cầu kỹ thuật.
- Thực hiện bảo vệ quá dòng, quá áp, và quá nhiệt cho linh kiện công suất
hoạt động trong thời gian lâu dài.
- Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, an tồn trong học tập.
Nội dung chính:
1. Linh kiện điện tử công suất
2. Công tắc xoay chiều
3. Cơng tắc một chiều
I. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
1. Phân loại
Các linh kiện bán dẫn cơng suất có hai chức năng cơ bản là ĐĨNG và NGẮT
dịng điện đi qua nó.
Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐĨNG): linh kiện giống như một điện trở có
giá trị rất bé (gần bằng không).
Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một điện
trở có giá trị rất lớn.
Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng thái dẫn

điện sang trạng thái không dẫn điện và ngược lại thơng qua tín hiệu kích thích
tác động lên cổng điều khiển của linh kiện. Ta gọi là linh kiện có điều khiển
được. Tín hiệu điều khiển có thể là dịng điện, điện áp hay ánh sáng với công
suất nhỏ hơn nhiều so với công suất của nguồn và tải.
Nếu linh kiện khơng có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm
việc xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kiện thộc loại
không điều khiển được.
Đối với các linh kiện điều khiển được, nếu tín hiệu điều khiển chỉ là cho nó
dẫn dịng điện mà khơng thể tác động ngắt dịng điện qua nó, ta gọi linh kiện
khơng có khả năng kích ngắt (SCR, TRIAC). Ngược lại, nếu linh kiện có thể
chuyển trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay từ ngắt sang đóng thơng qua
tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển gọi là linh kiện có khả năng kích
ngắt (BJT, MOSFET, IGBT, GTO…). Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh
kiện như sau :
- Nhóm các linh kiện khơng điều khiển như Diode, DIAC.
15


- Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC.
- Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET, IGBT,
GTO.
2. Diode công suất
2.1. Nguyên lý cấu tạo và làm việc :

Hình 2.1. Cấu tạo và kí hiệu diode
Diode được cấu tạo bằng mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu điện
tử đồng thời chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo ra hàng rào điện thế
vào khoảng 0,6 V (hoặc 0,2V).

a. Phân cực thuận

b. Phân cực ngược

Hình 2.2. Sơ đồ phân cực cho diode
Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với
lớp N (hình H2.2a), khi đó điện tử được chuyển từ lớp N qua lớp P. Còn các
hạt mang điện được chuyển từ lớp P sang lớp N và như vậy có một dịng điện
chạy qua diode.
Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực âm
gắn với lớp P – hình H2.2b), điện tử và phần tử mang điện dạng lỗ trống và các
điện tử tự do bị kéo ra xa mối nối, kết quả chỉ có dịng điện rị vào khoảng vài
mA có thể chạy qua.
Khi điện áp ngược tiếp tục tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va
chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng và diode mất tính chất
dẫn điện theo một chiều (diode bị hỏng).
Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K).

16


2.2.Đặc tính Volt – Ampere (V – A)

a. Thực tế

b. Lý tưởng
Hình 2.3. Đặc tính V-A

Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện (nằm ở
góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm ở góc phần
tư III) như trên hình H2.3. Trong đó, hình H2.3a là đặc tính V – A thực tế, hình

H2.3b là đặc tính lý tưởng.
- U0: điện áp khóa của diode, U0 = 0,3V - 0,6V tùy theo chất bán dẫn.
- UF: điện áp thuận của diode
- UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng)
- IF: dòng điện thuận chạy qua diode.
2.3.Trạng thái đóng ngắt
Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì
diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (khơng dẫn điện).
- UAK > U0: diode dẫn điện.
- UAK < U0: diode ngưng dẫn.
2.4. Các tính chất động
Q trình chuyển mạch: là q trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện sang
trạng thái ngắt.

17


Hình 2.4. Quá trình chuyển mạch của diode
Trong khoảng [ 0 ÷ t0 ] diode dẫn và dịng qua nó là dòng thuận IF
Tại thời điểm t0 diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0.
Khi t = t1 : dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên
diode tiếp tục dẫn với dịng có chiều ngược lại.
Khi t = t2: các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khơi phục khả năng khố áp ngược.
Khi t = t3 : dòng ngược giảm về 0. Qúa trình ngắt diode kết thúc.
Thời gian phục hồi tính nghịch : tph = t3 – t1 ≤ 1µs1.
2.5. Mạch bảo vệ diode

Hình 2.5. Mạch bảo vệ diode
Để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho diode công suất,
ta mắc song song với diode mạch lọc RC. Tuy nhiên, các diode công suất trên

thực tế đã tích hợp sẳn mạch RC.
2.6. Các đại lượng định mức của diode
Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (URM) có thể lặp lại tuần hồn
trên diode.
Dòng điện định mức: là dòng điện thuận lớn nhất (IFM) chạy qua diode mà
không làm cho diode bị hỏng.
Để tăng khả năng chịu áp tải ta ghép nối tiếp các diode, để tăng khả năng
chịu dòng tải ta ghép song song các diode.
18


Hình 2.6. Một số hình dạng thực tế của diode
3. BJT Công Suất (Bipolar Juntion Transistor)
3.1. Nguyên lý cấu tạo và làm việc
Transistor được cấu tạo bởi cấu trúc 3 lớp dạng n-p-n (hình H2.7a) hoặc p-np (hình H2.7b). Nhưng dạng n-p-n được sử dụng nhiều hơn vì loại này có kích
thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dịng điện.
Transistor có 3 cực: cực Base (B), cực Collector (C) và cực Emitter (E) và là
linh kiện được điều khiển hồn tồn thơng qua cực B và E. Mạch công suất nối
giữa 2 cực C và E.

19


Hình 2.8. Kí hiệu transitor
Trong lĩnh vực điện tử cơng suất, transistor BJT được sử dụng như một cơng
tắc đóng ngắt các mạch điện, phần lớn sử dụng loại NPN và mắc theo dạng
mạch có Emitter chung (hình H2.9) .
Trên hai cực B và E là điện áp điều khiển UBE. Các điện cực C, E được sử
dụng làm công tắc đóng ngắt mạch cơng suất. Điện áp điều khiển phải có tác
dụng tạo ra dịng iB đủ lớn để điện áp giữa hai cực C và E đạt giá trị bằng khơng

(UCE=0).
Transistor là linh kiện được điều khiển hồn tồn bằng dịng điện iB.

Hình 2.9. Sơ đồ mắc Emitơ chung

20


3.2.Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung
Đặc tính V-A ngõ ra của mạch mắc theo dạng E chung như trên hình H2.10a
(đặc tính thực tế) và hình H2.10b (đặc tính lý tưởng)

Hình 2.10. Đặc tính V-A mắc E chung
Đặc tính ngõ ra: biểu diễn quan hệ của các đại ngõ ra iC = f(uCE), thơng số
biến thiên là dịng kích iB. Các đặc tính ngõ ra được vẽ cho các giá trị khác nhau
của iB.
Đường thẳng biểu diễn UCE = U – ICRC là đường đặc tính tải. Giao điểm của
đường này với các đặc tính ngõ ra sẽ xác định điểm làm việc của transistor.
Trong vùng chứa đặc tính ngõ ra, ta phân biệt ba vùng: vùng nghịch, vùng
bảo hịa và vùng tích cực.
+ Vùng nghịch: iB = 0, transistor ở trạng thái ngắt. Dịng iC có giá trị nhỏ
không đáng kể đi qua transistor và tải gọi là dòng điện rò.
+Vùng bảo hòa: là vùng giới hạn xác định bởi điện thế UCE = UCE(sat) nhỏ
nhất có thể đạt được ứng với giá trị IC cho trước và vùng giới hạn bởi đường đặc
tính khi IB = 0 .
Nếu điểm làm việc nằm trong vùng bảo hòa (xem điểm đóng như trên hình
H2.10a), transistor sẽ đóng, transistor làm việc như một khóa đóng ngắt dịng
điện.
+Vùng tích cực: là vùng transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại tín hiệu.
3.3. Trạng thái đóng ngắt

IB ≥ IB(sat) : BJT đóng.
IB = 0 : BJT ngắt.
21


Với IB(sat) là dòng điện IB bảo hòa. Để đơn giản, ta thường xét điều kiện
đóng ngắt của transistor ở điều kiện lý tưởng.
IB > 0 : BJT đóng.
IB = 0 : BJT ngắt.
3.4. Các tính chất động
Q trình dịng collector IC có dạng xung vng như trên hình H2.11b. Thời
gian đóng ton kéo dài khoảng vài µs, thời gian ngắt hơn 10µs.

Hình 2.11 Q trình chuyển mạch của transitor
Q trình chuyển mạch tạo nên cơng suất tổn hao do đóng ngắt của
transistor. Cơng suất tổn hao làm giới hạn tần số hoạt động của transistor. Khi
đóng ngắt, dịng điện qua transistor lớn và điện áp ở mức cao nên giá trị tức thời
của cơng suất tổn hao lớn.
Q trình chuyển đổi điểm làm việc từ vị trí NGẮT đến vị trí ĐĨNG (hoặc
ngược lại) được mơ tả như trên hình H2.11a. Quá trình này kéo dài trong thời
gian ton hoặc toff.
3.5. Các đại lượng định mức của transistor
Định mức điện áp: giá trị điện áp cực đại trên hai cực C, E khi iB = 0 và trên
hai cực B, E khi iC = 0. Các giá trị này là giá trị tức thời.
Định mức dòng điện: là giá trị cực của các dòng điện iC, iE, và iB. Đó là các
giá trị cực đại tức thời của transistor khi đóng trong trạng thái bảo hịa.
Cơng suất tổn hao: công suất tổn hao tạo ra chủ yếu trên cực C. PC = UCE.IC.
Công suất tổn hao làm cho transistor nóng lên. Khi transistor làm việc, nhiệt
độ sinh ra trên transistor không được vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép, thường
là 15000C.

22


3.6. Mạch kích và bảo vệ cho transistor
Điều khiển kích đóng: Sơ đồ mạch và giản đồ xung kích như trên hình
H2.12. Khi xung điện áp UB được đưa vào, dòng điện qua cổng B bị giới hạn bởi
điện trở R1.

Hình 2.12. Sơ đồ mạch kích và giản đồ xung kích
Dịng điện đi vào cổng B: IB0=



(2.1)

Sau thời gian q độ dịng IB có giá trị: IB1=

(2.2)

Tụ điện C1 được nạp đến giá trị: UC= UB

(2.3)

Hằng số thời gian nạp tụ: τC=

(2.4)

Điều khiển ngắt
Khi điện áp UB giảm xuống giá trị âm U2 < 0, trên hai cực B, E xuất hiện điện

áp ngược bằng tổng điện áp UB và UC. Sau khi tụ C xả hết, điện áp trên BE xác
lập bằng U2 < 0 nên transistor bị kích ngắt.

23


3.7. Một số sơ đồ mạch kích

Hình 2.13. Sơ đồ mạch kích cho transitor
Cổng Base của BJT cơng suất được điều khiển bởi cuộn thứ cấp C3 của biến
áp xung 3 cuộn dây TX1. Cuộn sơ cấp C1, C2. Để điều khiển đóng BJT Q4,
điện áp có giá trị dương được cấp cho đầu A làm cho Transistor Q3 đóng, cuộn
C1 tích điện, điện áp dương xuất hiện trên cuộn C3, đồng thời cuộn C2 khơng có
điện chạy qua vì BJT Q2 ngắt, và Q1 đóng nối tắt cổng Base của Q2 xuống
masse.
Khi xung áp điều khiển ở đầu A giảm xuống 0, cả hai BJT Q1 và Q3 đều ngắt.
Khi Q3 ngắt cuộn C1 hở không được cấp nguồn, đồng thời cuộn C2 được cấp
điện do Q2 đóng. Do khác cực tính nên cuộn C3 xuất hiện điện áp ngược và ngắt
Q4.
Diode D1 và D2 có tác dụng bảo vệ q dịng. Mạch phát tín hiệu để điều
khiển mạch công suất dùng bán dẫn thường được yêu cầu cách ly về điện. Điều
này có thể thực hiện được bằng optron hặc biến áp xung.
Biến áp xung: gồm một cuộn sơ cấp và có thể có nhiều cuộn thứ cấp. Sơ đồ
nguyên lý mạch cách ly tín hiệu điều khiển dùng biến áp xung như trên hình
H2.14.
Optron: gồm một nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode quang và mạch thu
dung phototransistor như trên hình H2.15.

24