Mô phỏng mạch nghịch lưu một pha sử dụng matlab simulink

LỜI MỞ ĐẦU
Điện tử công suất là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán
dẫn trong các bộ biến đổi để khống chế biến đổi nguồn năng lượng điện. Các bộ biến đổi
điện tử công suất thế hệ mới ngày càng thể hiện rõ các ưu việt nổi bật như: kích thước gọn
nhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao, giá thành hạ…
Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ biến đổi điện
áp DC/DC, DC/AC. Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong
lĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm năng lượng,…
Từ những yêu cầu thực thế đó, em xin chọn đề tài: “ Mô phỏng mạch nghịch lưu một
pha sử dụng Matlab simulink”.
Em xin chân thành cảm ơn Th.s Phan Văn Dư cùng các thầy cô giáo bộ môn đã hướng
dẫn em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nỗ lực hết sức, tuy
nhiên sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót và những nội dung trình bày trong báo cáo này
là những hiểu biết và những thành quả của em đạt được trong suốt quá trình nghiên cứu sự
chỉ bảo tận tình của các thầy.
Em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để nội dung đề tài này ngày
càng hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

SINH VIÊN THỰC HIỆN
Hoàng Văn Sỹ

CHƯƠNG 1:
CÁC PHẦN TỬ LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN
1


1.1 Đi ốt
1.1.1 Khái niệm
Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dịng điện đi qua
nó theo một chiều mà khơng theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán

dẫn

Hình 1.1 . Hình ảnh đi ốt
1.1.2 Cấu tạo
- Khi ghép hai chất bán dẫn là P và N ta được một Diode.
- Tiếp giáp P -N có đặc điểm : 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.

Hình 1.2.Hình ảnh mơ phỏng cấu tạo
1.1.3 Đặc tính Vơn-Ampe
- Phân cực thuận:
Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt
( vùng bán dẫn N ) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp
lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode
loại Ge ) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện. Nếu
2


tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dịng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa
hai cực của Diode khơng tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V)

Hình 1.3 Mạch điện chứa điot

Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V.
Đường đặc tính của nó là đồ thị UI với u là trục tung và i là trục hoành. Giá trị điện áp
đạt đến 0.6V thì bão hịa

Hình 1.4 Điện áp của

điot

Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa
có dịng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dịng đi qua Diode sau đó
dịng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V.
- Phân cực ngược
Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-)
vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra
và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn
khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng.

3


Hình 1.5 Điot bị đánh thủng
Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V
1.1.4 Các tham số cơ bản
* UD ngược max
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode mà không làm hỏng diode
- UD ngược max = (0,4-0,6) Uct
* ID dòng điện thuận định mức của diode
* ΔUD giá trị điện áp cần để diode dẫn.
+ Điện áp nguồn: 0,7-1,4 (V)
+ Tăng theo về cấu trúc tinh thể bán dẫn
* Tần số : quá trình phát nhiệt phụ thuộc vào tần số đóng cắt của điot.
*  cp : nhiệt độ cho phép bán dẫn hoạt động bình thường ( < 1400 C)
*ΔP= UD.iD : cơng suất phát nóng cho phép
*UD = U0 + iD.Rđ
+ U0 : điện áp ngược
+ Rđ : điện trở động diode

*   mt  P.RT ( RT : nhiệt điện trở của diode)

1.1.4 Ứng dụng của đi ốt
Vì điốt có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode đến cathode khi phân cực
thuận nên điốt được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều
Ngồi ra điốt có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối tắt), phân cực
nghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các cơng tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều
4


khiển mức điện áp. Điốt chỉnh lưu dòng điện, giúp chuyển dòng điện xoay chiều thành
dòng điện một chiều, điều đó có ý nghĩa rất lớn trong kĩ thuật điện tử. Vì vậy điốt được
ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử.
1.2 Thyristor
1.2.1 Cấu tạo
Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:
A : Anode : cực dương
K : Cathode : cực âm
G : Gate : cực khiển (cực cổng)
Thyristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT
loại PNP ghép lại như hình vẽ sau:

Hình 1.6 Cấu tạo Thyristor
1.2.2 Nguyên lý hoạt động
* Mở thyristor
Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có thể
tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn
nhất,Uth,max.Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và dịng
qua thyristor sẽ hồn tồn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không
được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng tăng

được điện áp đến giá trị Uth,max. Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra
dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.
Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dịng điện có giá trị
nhất định vào các cực điều khiển và cathode. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng
thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode-cathode nhỏ.
Khi đó nếu dịng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất định gọi là dịng duy trì (Idt)
5


thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dịng mà khơng cần đến sự tồn tại của xung
dịng điều khiển, nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor 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 của mạch lực mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện.
* Trường hợp cực G để hở hay VG = OV
Khi cực G và VG = OV có nghĩa là transistor T1 khơng có phân cực ở cực B nên
T1ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn. Như vậy trường hợp
này Thyristor khơng dẫn điện được, dịng điện qua Thyristor là IA = 0 và VAK ≈ VCC.
Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến điện
thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp V AK giảm xuống như diode và dòng điện I Atăng
nhanh. Lúc này Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng điện ứng với lúc điện áp
VAK giảm nhanh gọi là dịng điện duy trì IH (Holding). Sau đó đặc tính của Thyristor giống
như một diode nắn điện.
Trường hợp đóng khóa K: V G = VDC – IGRG, lúc này Thyristor dễ chuyển sang trạng thai
dẫn điện. Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B 1 nên dịng điện IG chính là IB1 làm
T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dịng điện IB2 nên lúc đó I2 dẫn điện, cho ra dịng điện IC2 lại
cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1. Nhờ đó mà Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn mà
khơng cần có dịng IG liên tục.
IC1 = IB2

; IC2 = IB1

Theo nguyên lý này dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần và hai
transistor chạy ở trạng thái bão hịa. Khi đó điện áp V AK giảm rất nhỏ (≈ 0,7V) và dòng
điện qua Thyristor là:

Thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp ngập càng nhỏ
tức Thyristor càng dễ dẫn điện.
* Trường hợp phân cực ngược Thyristor.
Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm, K vào cực dương của nguồn V CC.
Trường hợp này giống như diode bị phân cự ngược.Thyristor sẽ không dẫn điện mà chỉ có
dịng rỉ rất nhỏ đi qua. Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn thì Thyristor sẽ bị đánh thủng và
dòng điện qua theo chiều ngược. Điện áp ngược đủ để đánh thủng Thyristor là V BR. Thông
thường trị số VBR và VBO bằng nhau và ngược dấu.
6


1.2.3 Đặc tuyến

Hình 1.7: Đặc tuyến của Thyristor
IG = 0
IG2 > IG1 > IG
Đặc tính Volt-Ampere của một thyristor gồm hai phần. Phần thứ nhất nằm trong góc
phần tư thứ I của đồ thị Descartes, ứng với trường hợp điện áp Vak > 0, phần thứ hai nằm
trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp Vak<0
* Khơng có dịng điện vào cực điều khiển
Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0, hay khi hở mạch cực điều khiển,
thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode và
cathode. Khi điện áp Uak < 0 theo cấu tạo bán dẫn của thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều
phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽ giống như hai điốt
mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua thyristor 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 sẽ xảy ra hiện tượng
thyristor bị đánh thủng, dịng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược
của điốt q trình đánh thủng là khơng thể đảo ngược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anode-cathode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu cũng chỉ có một
dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dịng rị. Điện trở tương đương mạch anode-cathode 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 sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương
mạch anode-cathode đột ngột giảm, dịng điện có thể chạy qua thyristor và giá trị sẽ chỉ bị
giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngồi. Nếu khi đó dịng qua thyristor có giá trị lớn hơn một
mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dịng trên đường đặc
tính thuận, giống như đường đặc tính thuận của điốt.
7


* Có dịng điện vào cực điều khiển (iG > 0)
Nếu có dịng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và cathode thì quá trình chuyển
điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giá
trị lớn nhất. Nói chung nếu dịng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ
xảy ra với Uak nhỏ hơn.
1.2.4 Các thơng số kỹ thuật
Dịng điện thuận cực đại. Đây là trị số lớn nhất dịng điện qua mà Thyristor có thể chịu
đựng liên tục, quá trị số này Thyristor bị hư. Khi Thyristor đã dẫn điện V AKkhoảng 0,7V
nên dòng điện thuận qua có thể tính theo cơng thức

Điện áp ngược cực đại. Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt giữa A và K mà
Thyristor chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số này Thyristor sẽ bị phá hủy. Điện áp
ngược cực đại của Thyristor thường khoảng 100V đến 1000V.
Dịng điện kích cực tiểu.IGmin. Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường hợp điện áp
VAK thấp thì phải có dịng điện kích cho cực G của Thyristor. Dịng I Gmin là trị số dịng kích
nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng I Gmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc

cơng suất của Thyristor, nếu Thyristor có cơng suất càng lớn thì I Gmin phải càng lớn. Thông
thường IGmin từ 1mA đến vài chục mA.
Thời gian mở Thyristor.Là thời gian cần thiết hay độ rộng của xung kích để Thyristor
có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mở khoảng vài micrô giây.
Thời gian tắt. Theo nguyên lý Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được
kích. Muốn Thyristor đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng thì phải cho I G =
0 và cho điện áp VAK = 0. để Thyristor có thể tắt được thì thời gian cho V AK = OV phải đủ
dài, nếu không VAK tăng lên cao lại ngay thì Thyristor sẽ dẫn điện trở lại. Thời gian tắt của
Thyristor khoảng vài chục micrô giây
Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs).s).
Thiristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận
(Uak>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dịng chạy qua. Khi
thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ.
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng khơng gian
nghèo điện tích, cản trở dịng điện chạy qua. Vùng khơng gian này có thể coi như một tụ
8


diện có điện dung Cj2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dịng điện của tụ có thể có
giá trị đáng kể, đóng vai trị như dịng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi
chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số
cao. Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs).s cịn với các thyristor tần số
cao dU/dt có thể lên tới 500 đến 2000 V/μs).s.
- Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs).s).
Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều
dẫn dịng đồng đều. Dịng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm, gần với cực điều khiển
nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dịng
điện q lớn có thể dẫn tới mật độ dịng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt
cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng tồn bộ tiết diện tinh thể bán

dẫn.
Tốc độ tăng dòng cho phép ở các thyristor tần số thấp vào khoảng 50÷100A/μs).s, với các
thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500÷2000A/μs).s. Trong các bộ biến đổi phải ln có
các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc
nối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi khơng khí hoặc đơn giản hơn là
các xuyến ferit lồng lên nhau. Các xuyến ferit rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi
điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn. Xuyến ferit cịn có tính chất của
cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ
tăng dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng khơng. Vì vậy
cuộn kháng kiểu này khơng gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn.
1.2.5 Ứng dụng của Thyristor.
Thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu điện áp và dòng điện lớn, và
thường được sử dụng để điều khiển dịng xoay chiều AC (Alternating current), vì sự thay
đổi cực tính của dịng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách tự động(được biết như là
q trình Zero Cross-q trình đóng cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp3 hình sin).
1.2.6. Mạch ứng dụng

9


Hình 1.8: Mạch ứng dụng
• Ban đầu cơng tắc K2 đóng, Thyristor mặc dù được phân cực thuận nhưng vẫn
khơng có dịng điện chạy qua, đèn khơng sáng.
• Khi cơng tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm đèn Q2 dẫn => kéo theo đèn
Q1 dẫn => dòng điện từ nguồn U2 đi qua Thyristor làm đèn sáng.
• Tiếp theo ta thấy cơng tắc K1 ngắt nhưng đèn vẫn sáng, vì khi Q1 dẫn, điện áp chân
B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , như
vậy hai đèn định thiên cho nhau và duy trì trang thái dẫn điện.
• Đèn sáng duy trì cho đến khi K2 ngắt => Thyristor không được cấp điện và ngưng
trang thái hoạt động.

1.3. Triac
TRIAC là phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở
thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2, do đó có thể dẫn dịng theo cả hai chiều
giữa T1 và T2. TRIAC có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song song
ngược.để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G của Triac.
1.3.1 Cấu tạo
Triac là một linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc như 2 Thyristor mắc song
song ngược chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều.

10


Hình 1.9: Cấu tạo Triac
Triac có bốn tổ hợp điện thế có thể mở cho dịng chảy qua:
B2 – G : + xung + , + xung - : Dòng điện chạy từ B2 sang B1
B2 – G : - xung - , - xung + : Dòng điện chạy từ B1 sang B2
1.3.2 Ký hiệu

Hình 1.10 Ký hiệu TRIAC
+ Chân G là chân kích mở cho Triac
+ Chân T1 (A1, B1, MT1..) là chân Anod 1.
+ Chân T2 (A2, B2, MT2..) là chân Anod 2.
Hai chân Anod 1 và Anod 2 dịng điện có thể chạy cả 2 chiều.
1.3.3 Đặc tuyến
Đặc tuyến Volt – Ampe gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc O, mỗi phần tương tự
đặc tuyến thuận của Thyristor.
Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ nhất
và thứ ba (hệ trục Descartes), mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor.
TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực
điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển).Tuy nhiên xung dịng điều khiển

âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn
hơn so với dòng điều khiển dương.Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dịng
điện qua TRIAC thì sử dụng dịng điện dương là tốt hơn cả.

11


Hình 1.11: Đặc tuyến của TRIAC
1.3.4. Ứng dụng

Hình 1.12: Mạch điều khiển dòng điện qua tải dùng triac
Triac kết hợp với quang trở Cds để tác động theo ánh sáng. Khi Cds được chiếu sáng
sẽ có trị số điện trở nhỏ làm điện thế nạp được trên tụ C thấp và diac khơng dẫn điện,
triac khơng được kích nên khơng có dịng qua tải. Khi Cds bị che tối sẽ có trị số điện trở
lớn làm điện thế trên tụ C tăng đến mức đủ để triac dẫn điện và triac được kích dẫn điện
cho dịng điện qua tải. Tải ở đây có thể là các loại đèn chiếu sáng lối đi hay chiếu sáng bảo
vệ, khi trời tối thì đèn tự động sáng.
+ Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC:

12


Hình 1.13. Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC
Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ. Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nên
Triac không hoạt động, đèn tắt. về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A,
thông Diac và kích Triac dẫn điện, bóng đèn sáng lên.
Chú ý khi sử dụng: Những dụng cụ điện tải thuần trở làm việc tốt với các giá trị trung
bình nhờ tác dụng san làm đồng đều. Nhưng các dụng cụ điện tải điện kháng sẽ bị ảnh
hưởng đáng kể, ví dụ động cơ sẽ bị phát nóng hơn mức bình thường, tiêu tốn năng lượng
cao hơn.

Kết luận: Triac có ưu điểm trong mọi vấn đề như gọn nhẹ, rẻ tiền … Dùng Triac làm
biến dạng sin là nhược điểm chính trong sử dụng.
1.3.5.Cách kiểm tra Triac
+ Chuẩn bị một đồng hồ VOM kim có dịng ở thang điện trở đủ lớn. Nếu dịng yếu ko
đủ kích cho chân G.
+ Đồng hồ VOM kim để ở thang đo điện trở có dịng phát ra là lớn nhất.
Đối với VOM kim thì que đen là nguồn dương và que đỏ là nguồn âm
+ Lần 1 : Đặt que nguồn âm vào A1 (B1, MT1...) và que nguồn dương vào A2 (B2,
MT2..) khi đo VOM không nhảy kim. Vẫn giữ nguyên que đo và kích điện áp cho chân G
từ que đỏ (nghiêng que đo hoặc bằng dụng cụ khác) khi đó trên màn hình VOM kim dịch
kim và bỏ kích cho chân G, VOM kim vẫn giữ nguyên => Triac còn tốt. Nếu bỏ kích chân
G mà VOM kim về vơ cùng => Triac hỏng. Có trường hợp nếu ban đầu chỉ đưa vào hai
que đo vào A1, A2 kim đã dịch => Triac hỏng.
+ Lần 2 : Thao tác đổi que đo ngược lại như lần 1. Nếu giống nhau thì
Transitor tốt. Nếu có có sự khác thì Transitor hỏng
.Dùng VOM số cũng tương tự.
1.4. GTO(Gate turn off)
GTO là một linh kiện có 4 lớp bán dẫn PNPN như SCR. cấu tạo và ký hiệu được mô
tả như sau:

13


Hình 1.14. Cấu tạo và ký hiệu của GTO
Tuy có ký hiệu khác với SCR và SCS nhưng các tính chất thì tương tự. Sự khác biệt
cơ bản cũng là sự tiến bộ của GTO so với SCR hoặc SCS là có thể mở hoặc tắt GTO chỉ
bằng một cổng (mở GTO bằng cách đưa xung dương vào cực cổng và tắt GTO bằng cách
đưa xung âm vào cực cổng).
- So với SCR, GTO cần dịng điện kích lớn hơn (thường hàng trăm mA)
- Một tính chất quan trọng nữa của GTO là tính chuyển mạch. Thới gian mở của

GTO cũng giống như SCR (khoảng 1μs).s), nhưng thời gian tắt (thời gian chuyển từ trạng
thái dẫn điện sang trạng thái ngưng dẫn) thì nhỏ hơn SCR rất nhiều (khoảng 1μs).s ở GTO và
từ 5μs).s đến 30μs).s ở SCR). Do đó GTO dùng như một linh kiệncó chuyển mạch nhanh. GTO
thường được dùng rất phổ biến trong các mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hoà điện
thế… mạch sau đây là một ứng dụng của GTO để tạo tín hiệu răng cưa kết hợp với Diod
Zener.

Hình 1.15 Ngun lí hoạt động GTO
Khi cấp điện, GTO dẫn, anod và catod xem như nối tắt. C 1 nạp điện đến điện thế
nguồn VAA, lúc đó VGK<0 làm GTO ngưng dẫn. Tụ C1 xả điện qua R3=VR+R2. Thời gian xả
điện tùy thuộc vào thời hằng τ=R 3C1. Khi Volập lại.
14


1.5. Mosfet
1.5.1 Giới thiệu về Mosfet

Hình 1.16: Transistor hiệu ứng trừơng Mosfet
Mosfet, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong tiếng
Anh, có nghĩa là "transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", là một thuật ngữ chỉ
các transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong cácmạch số và các mạch
tương tự.
Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại và bán
dẫn (ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic)
MOSFET có hai loại:
+ N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn
tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.
+ P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ
Gate

1.5.2 Cấu tạo và kí hiệu

Hình 1.17: Cấu tạo và kí hiệu
G: Gate gọi là cực cổng
S: Source gọi là cực nguồn
D: Drain gọi là cực máng
15


Trong đó : G là cực điều khiển được cách lý hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn lại
bởi lớp điện mơi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2). Hai cực còn
lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện.
Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vơ cùng lớn, cịn
điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S
( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu
ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng
nhỏ.
1.5.3.Nguyên lý hoạt động
Xét loại kênh dẫn n.
- Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi 2 nguồn điện áp: UDS > 0 và UGS < 0.
- Giữa cực D và cực S có một điện trường mạnh do nguồn điện cực máng UDS cung
cấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn S tới cực
máng D, hình thành nên dịng điện cực máng ID
- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, do đó bề
rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần. Khi đó tiết diện dẫn điện giảm dần, điện
trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống
và ngược lại.
Như vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực máng
ID.
- Trường hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dịng điện ID có giá trị

phụ thuộc vào UDS.
- UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì với
cách mắc như hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ phân cực
ngược tăng dần từ S tới D  tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng ID giảm dần.
* Thí nghiệm về nguyên lý hoạt động của Mosfet
Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực D và S của Mosfet Q (Phân
cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn khơng sáng nghĩa là khơng có dịng điện đi
qua cực DS khi chân G khơng được cấp điện.Khi cơng tắc K đóng, nguồn UG cấp vào hai
cực GS làm điện áp UGS > 0V => Đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng.
Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên. Q1 khóa ==>Bóng đèn tắt.

16


Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G khơng tạo ra dịng GS như
trong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm cho điện trở
RDS giảm xuống.
* Các thơng số thể hiện khả năng đóng cắt của Mosfet
Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds. Tuy
nhiên các thơng số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss. Nhưng dưới
điều kiện nhất đinh như là điện áp Ugs và Uds. Ta có thể tính được giá trị các tụ đó.
1.5.4. Xác định chân, kiểm tra-Mosfet
Thơng thường thì chân của Mosfet có quy định chung khơng như Transitor. Chân của
Mosfet được quy định: chân G ở bên trái, chân S ở bên phải còn chân D ở giữa.
* Kiểm tra Mosfet
Mosfet có thể được kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng . Do có cấu tạo hơi khác so với
Transitor nên cách kiểm tra Mosfet cũng không giống với Transitor.
- Mosfet còn tốt.
Là khi đo trở kháng giữa G với S và giữa G với D có điện trở bằng vô cùng ( kim
không lên cả hai chiều đo) và khi G đã được thốt điện thì trở kháng giữa D và S phải là vô

cùng.
Bước 1 : Chuẩn bị để thang x1KW
Bước 2 : Nạp cho G một điện tích ( để que đen vào G que đỏ vào S hoặc D)
Bước 3 : Sau khi nạp cho G một điện tích ta đo giữa D và S ( que đen vào D que đỏ
vào S )
=>kim sẽ lên.
Bước 4 : Chập G vào D hoặc G vào S để thoát điện chân G.
Bước 5 : Sau khi đã thoát điện chân G đo lại DS như bước 3 kim không lên.
=> Kết quả như vậy là Mosfet tốt.
- Mosfet chết hay chập
Bước 1 : Để đồng hồ thang x 1KW
. Đo giữa G và S hoặc giữa G và D nếu kim lên = 0 W là chập.
- Đo giữa D và S mà cả hai chiều đo kim lên = 0 W là chập D S.
- Đo kiểm tra Mosfet trong mạch
17


Khi kiểm tra Mosfet trong mạch , ta chỉ cần để thang x1W và đo giữa D và S. Nếu 1
chiều kim lên đảo chiều đo kim không lên => là Mosfet bình thường, Nếu cả hai chiều kim
lên = 0 W là Mosfet bị chập DS
1.5.5.Ứng dung của Mosfet trong thực tế.
Mosfet trong nguồn xung của Monitor

Hình 1.17: Mosfet trong nguồn xung
Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, người ta thường dùng cặp linh
kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung vng được
đưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn Mosfet dẫn, khi
xung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽ điều khiển cho Mosfet
liên tục đóng ngắt tạo thành dịng điện biến thiên liên tục chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra
từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp => cho ta điện áp ra.

1.6. IGBT
1.6.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải
lớn của tranzito thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển điện áp, do đó cơng
suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.
Cấu trúc bán dẫn của IGBT:

Hình 1.17: Cấu trúc bán dẫn IGBT
Cấu trúc tương đương của IGBT với 1 transitor N-P-N với 1 Mosfet:
Sơ đồ tương đương, ký hiệu của IGBT:
18


Hình 1.18: Kí hiệu IGBT
Về cấu trúc bán dẫn thì IGBT rất giống với Mosfet điểm khác là có thêm lớp P nối với
colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-P giữa emito với colecto. Có thể coi IGBT tương
đương với một tranzito P-N-P với dòng bazo được điều khiển bởi một Mosfet.
1.6.2 Đặc tính đóng cắt của IGBT
Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp
hơn hẳn so với Mosfet. Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBT
chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tương
đương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai
thành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor. Phần Mosfet trong IGBT có thể
khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dịng i1= 0, tuy nhiên i2
sẽ khơng suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy trong (tương đươngvới bazo
của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hịa điện tích. Điều này xuất hiện
vùng dịng điện kéo dài khi khóa IGBT.
- Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT:

Hình 1.19: Đặc tính đóng cắt IGBT

a. Quá trình mở của IGBT
19


Quá trình mở IGBT diễn ra giống với quá trình này ở Mosfet khi điện áp điều khiển vào
tăng tử 0 đến giá trị Ug. Trong thời gian trễ khi mở Io tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ
Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emite tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trị
ngưỡn Uge( 3 đến 5v). Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở
ra. Dòng điện giữa colecto-emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải Io trong
thời gian Tr.Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến giá trị Uge
xác định giá trị dòng Io qua colecto. Do diode Do còn đang dẫn dòng tải Io nên điện áp
Uce vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2
giai đoạn T1 và T2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển giữ ngun
Uge để duy trì dịng Io, do dịng điều khiển hồn tồn là dịng phóng tụ Cgc. IGBT vẫn làm
việc trong chế đơ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra q trình khóa và phục hổi của
diode Do dịng phục hồi của diode Do tạo nên xung dòng trên mức dọng Io của IGBT.
Sau thời gian mở Ton khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và
emito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CgcRg đến giá trị cuối
cùng Ug.
b. Q trình khóa của IGBT
Dạng điện áp,dịng điện của q trình khóa thể hiện trên dưới đây. Q trình khóa bắt
đầu khi diện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG. Trong thời gian trễ khi khóa td(off) chỉ
có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dịng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian bằng
CgeRG, tới mức điện áp Miller. Bắt dầu từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và
Emitter bị giữ không đổi do điện áp Ucc bắt đầu tăng lên và do đó tụ Cgc bắt đầu được nạp
điện. Dịng điều khiển bây giờ sẽ hồn tồn là dịng nạp cho tụ Cgc nên điện áp UGE được
giữ không đổi. Điện áp Ucc tăng từ giá trị bão hòa Ucc.on tới giá trị điện áp nguồn Udc
sau khoảng thời gian trV. Từ cuối khoảng trV diode D0 bắt đầu mở ra cho dịng tải I0 ngắn
mạch qua, do đó dịng Collector bắt đầu giảm. Quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn,
tfi1 và tfi2. Trong giai đoạn đầu,thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn

IGBT suy giảm nhanh chóng về khơng. Điện áp UGC ra khỏi mức Miller và giảm về mức
điện áp điều khiến ở đầu vào -UG với hằng số thời gian:
Thời gian khóa của IGBT có thể rút ngắn nếu thêm vào một lớp đệm n+ như trong cấu
trúc Punch Through IGBT như hình minh họa.Cấu trúc này có 1 Thyristor ký sinh tạo từ ba
tiếp giáp bán dẫn p-n,J1.J2,J3.Trong cấu trúc này , mật độ các điện tích dương,các lỗ , suy
giảm mạnh theo hướng từ các lớp p+ đến n- đến n+,điều này giúp q trình tự trung hịa
các điện tích dương trong lớp n- xảy ra nhanh hơn.Công nghệ này tạo ra các IGBT cực
nhanh với thời gian nhỏ hơn 2 x 10^-6(s)
1.6.3 Vùng làm việc an toàn
20