chng_1_bi_ging_chi_tit

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Là một chuyên ngành của kỹ thuật điện tử, nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất
trong các bộ biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện. Điện tử công suất (điện tử dòng điện mạnh) với
đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng - cắt) dòng điện lớn, điện áp cao, làm thay đổi độ lớn, tần số, dạng
sóng dòng công suất. Công suất đầu ra được biến đổi về độ lớn, tần số, dạng sóng so với công suất đầu vào.
Tín hiệu đóng vai trò điều khiển dòng công suất
Điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật hiện đại, làm thay đổi tận gốc rễ kỹ
thuật truyền động điện, trong sản xuất, truyền tải và phân phối điện.
Các phần tử bán dẫn công suất điển hình được dùng trong các bộ biến đổi công suất : Diode công
suất, tiristor công suất SCR (Silicon Controlled Rectifier), tiristor khoá bằng cực điều khiển GTO (Gate
Turn off Tiristor), transistor lưỡng cực công suất BJT (Bipolar Junction Transistor), transistor trường công
suất FET (Field Effect Transistor), transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistor), TRIAC (Triode Alternative Current), tiristor điều khiển bằng MOSFET MCT (Mosfet
Controlled Tiristor), linh kiện cảm ứng tĩnh điện SID (Static Induction Device). Các đặc tính cơ bản của các
phần tử bán dẫn công suất :
1. Diode công suất : có dòng điện định mức tới 5000A, điện áp định mức tới 10kV , thời gian chuyển
mạch nhanh nhất tới 20ns. Chủ yếu được dùng trong chỉnh lưu, biến đổi DC-DC.
2. Transistor lưỡng cực công suất BJT: dẫn dòng một chiều khi có dòng bazơ thích hợp. Dòng điện
định mức 0,5-500A và lớn hơn, điện áp định mức tới 1200V, thời gian chuyển mạch từ 0,5-100µs.
Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC, phối hợp với diode trong nghịch lưu. BJT đang được thay
thế bởi FET và IGBT.
3. Transistor trường công suất FET: dẫn dòng điện máng (Drain) khi có điện áp cổng thích hợp. Dòng
điện định mức 1 – 100A, điện áp định mức 30-1000V, thời gian chuyển mạch rất nhanh 50-200ns.
Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC và nghịch lưu.
4. Transistor lưỡng cực cổng cách điện IGBT: là FET đặc biệt có chức năng của BJT và điều khiển
cổng bằng FET. Nhờ vậy IGBT nhanh hơn và dễ sử dụng hơn BJT khi cùng công suất. Dòng điện
định mức 10-600A, điện áp định mức 600-1700V. Được sử dụng chủ yếu trong nghịch lưu công
suất từ 1-100KW.
5. Tiristor (Thyristor): dẫn điện tương tự như diode sau khi nhận được xung mồi thích hợp và trở về
trạng thái bị khoá khi dòng điện bằng không. Sau khi đã dẫn, cực điều khiển không còn tác dụng

nữa. Dòng điện định mức 10-5000A, điện áp định mức 200V-6kV, thời gian chuyển mạch 1-200µs.
Là linh kiện điện tử công suất chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của điện tử công
suất.
6. Tiristor khoá bằng cực điều khiển GTO: là tiristor đặc biệt có thể khóa được bằng cách đặt xung âm
vào cực điều khiển. Thay thế cho các BJT trong các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn. Các đại lượng
định mức tương tự như tiristor và được ứng dụng trong các bộ nghịch lưu trên 100KW.
7. TRIAC: là linh kiện phối hợp hai tiristor nối song song ngược và chỉ có một cực điều khiển. Dòng
điện định mức 2-50A, điện áp định mức 200-800V. Ứng dụng chủ yếu trong các bộ biến đổi điện áp
xoay chiều, điều khiển đèn, thiết bị điện gia dụng.
8. Tiristor điều khiển bằng MOSFET MCT: là tiristor đặc biệt có chức năng của GTO nhưng điều
khiển bằng FET vì thế nhanh và dễ sử dụng hơn GTO.
9. Linh kiện cảm ứng tĩnh SID: là linh kiện được chuyển mạch bằng cách điều khiển hàng rào thế ở
cổng. Công suất 100KW ở tần số 100kHZ. Ưu điểm chủ yếu là có tốc độ chuyển mạch cao, điện áp
ngược lớn, điện áp rơi thuận rất nhỏ
Tính năng của các phần tử bán dẫn công suất chủ yếu cho trong bảng sau:
1
Linh kiện
Năm xuất
hiện
U
đm
(kV)
I
đm
(kA)
f
(kHZ)
P
(MW)
Điện áp

rơi
(V)
Tiristor 1957 6 35 0,5 100 1,5-2,5
TRIAC 1958 1 0,1 0,5 0,1 1,5-2
GTO 1962 4,5 3 2 10 3-4
BJT 1960 1,2 0,8 10 1 1,5-3
MOSFET 1976 0,5 0,05 1000 0,1 3-4
IGBT 1983 1,2 0,4 20 0,1 3-4
SID 1976 1,2 0,3 100 0,01 2-4
MCT 1988 3 2 20-100 10 1-2
Các bộ biến đổi điện tử công suất gồm các linh kiện điện tử công suất nằm trong mạch động lực và
các mạch điều khiển nhằm biến đổi dòng điện, điện áp và tần số dòng công suất gồm có :
1. Bộ chỉnh lưu: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều AC-DC.
2. Bộ nghịch lưu: Biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều DC-AC.
3. Bộ băm: Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều DC-DC.
4. Bộ điều áp xoay chiều: Biến đổi điện áp xoay chiều thành địên áp xoay chiều tần số
không đổi AC-AC
5. Bộ biến tần: Biến đổi dòng điện xoay chiều về tần số và điện áp AC-AC.
Bộ chỉnh lưu
Bộ nghịch lưu
Bộ biến tần Bộ băm
Môn học điện tử công suất nghiên cứu:
- Ứng dụng phần tử bán dẫn công suất trong năng lượng điện.
- Mạch điện tử điều khiển các phần tử bán dẫn công suất.
Ưu điểm của các phần tử bán dẫn công suất:
- Đóng cắt dòng điện không gây ra tia lửa điện.
- Không bị mài mòn theo thời gian.
- Được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ.
- Hiệu suất biến đổi điện năng cao.
- Cung cấp cho phụ tải được nguồn năng lượng theo yêu cầu.

- Đáp ứng nhanh.
2
Đại lượng một chiều
U
1
, I
1
Đại lượng xoay chiều
u
1
, f
1
Đại lượng xoay chiều
u
2
, f
2
Đại lượng một chiều
U
2
, I
2
Chương1. CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
1.1. MẶT GHÉP P-N
- Chất bán dẫn điện chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, điện trở suất của chúng
nằm trong khoảng 10
-6
- 10
8
Ωm. Trong kỹ thuật chất bán dẫn công suất, người ta dùng các nguyên tố hóa

học trong nhóm 4 của bảng tuần hoàn các nguyên tố. Chúng là Silic Si và Giéc ma ni Ge được đặc trưng
bởi cấu trúc tinh thể.
- Trên tinh thể Si người ta khuếch tán một lượng nhất định các nguyên tử thuộc nhóm 5 ( Phốt pho P hoặc
Antimoan Sb : có 5 điện tử lớp ngoài cùng ) người ta tạo ra được lớp bán dẫn kiểu n. Lớp bán dẫn kiểu n
có đặc điểm trong cấu trúc mạng tinh thể sẽ có những nút bị thừa ra 1 điện tử, nghĩa là lớp n sẽ giàu các
e tự do.
- Trên tinh thể Si người ta khuếch tán lượng nhất định các nguyên tử thuộc nhóm 3 ( Nhôm Al, Bo B, và
Gali Ga : có 3 điện tử lớp ngoài cùng ) dưới nhiệt độ và áp suất thích hợp sẽ được lớp bán dẫn kiểu p.
Lớp bán dẫn kiểu p có đặc điểm trong cấu trúc mạng tinh thể sẽ có những nút bị thiếu một điện tử tạo
nên những iôn dương và những vùng điện tích dương.
- Khi sử dụng công nghệ khuếch tán tạo lớp bán dẫn p và n trên cùng 1 tinh thể Si sao cho lớp p và lớp n
kề nhau ta được một tiếp giáp p-n.
- Ở nhiệt độ môi trường do chuyển động nhiệt các điện tử tự do vùng n sẽ khuếch tán sang vùng p và bị
trung hoà bởi các iôn (+). Như vậy các điện tích vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau làm cho vùng này
trở nên nghèo điện tích và điện trở vùng tiếp giáp tăng cao. Tuy nhiên, vùng nghèo điện tích này chỉ có
độ rộng nhất định.
- Khi e vùng n chuyển sang vùng p nó sẽ làm cho vùng n có một khối điện tích không gian dương.
- Vùng p sẽ có một điện tích không gian âm
Vùng –h ÷ h gọi là vùng chuyển tiếp. Vùng này có điện trở rất lớn.
Trong vùng chuyển tiếp hình thành một điện trường nội tại có chiều từ n → p. Điện trường này ngăn
cản các điện tử vùng n sang p và các iôn (+) sang n. Do đó vùng –h ÷ h chỉ mở rộng nhất định 0,01 ÷
0,1mm.
Điện trường này cỡ 0,65V với Si ở 25
0
C.
0,3V với Ge
Sự phân cực của mặt ghép p-n
a) Sự phân cực thuận:

P

N
Ei
R
E

3
-h +h0
Hình 1.1 Hàng rào thế Hình 1.2 Cấu trúc mặt ghép pn
n

p
+
+
+
-
-
-
n
Ei
p n

Khi mặt nghép p-n được đặt dưới điện áp có cực tính như hình vẽ, chiều điện trường ngoài sẽ ngược
với chiều điện trường nội tại Ei. Do vậy, vùng nghèo điện tích bị thu hẹp lại. Nếu E>Ei vùng nghèo điện
tích bằng 0 và các điện tích có thể di chuyển tự do qua mặt ghép p-n.
b) Sự phân cực ngược:
Khi điện trường ngoài cùng chiều với điện trường nội tại Ei. Điện trường tổng Et sẽ cùng chiều và
lớn hơn Ei, do đó nó ngăn cản chiều chuyển động của các điện tích đa số làm rộng thêm vùng chuyển tiếp,
điện tử của vùng tiếp giáp p-n tăng làm cho dòng điện không chạy qua.
1.2. DIODE CÔNG SUẤT
Diode công suất do hai mặt ghép p-n ghép thành, diện tích mặt ghép tỉ lệ với dòng điện cho phép qua

diode.
Trung bình mật độ dòng cỡ 10A/mm
2
.
Nhiệt độ mặt ghép cho phép: 200
0
C.
Để diode làm việc và chịu dòng cao phải có biện pháp
làm mát diode.
- Làm mát tự nhiên.
- Dùng cánh tản nhiệt: + Làm mát bằng gió.
+ Làm mát bằng dầu.

P
N
A
K
A
K
Hình 1.7. Cấu tạo và ký hiệu diode
1.2.1. Đặc tính Vôn-ampe
Đặc tính V-A gồm hai nhánh:
- Nhánh thuận: Dưới điện áp U
AK
>0. Diode phân cực thuận. Đường đặc tính có dạng hàm mũ.
4
Hình 1.3 Phân cực thuận mặt ghép Hình 1.4 Trạng thái mặt ghép
Hình 1.5. Phân cực ngược mặt
ghép
Hình 1.6. Trạng thái mặt ghép

Hình 1.8. Đặc tính V-A

P
N
Ei
R
E


U
Do
U

i

i

U

U
BR
U
Do
U

i

- Nhánh ngược: Dưới điện áp U
AK
<0. Diode phân cực ngược. Khi tăng

U
dòng điện cũng tăng.
Khi U > 0,1V. Dòng ngược không tăng.
Tới giá trị giới hạn. Khi
BR
U U>
. Dòng điện tăng đột biến phá huỷ diode.
Giải thích:
Dòng điện ngược hình thành do sự di chuyển của các điện tích thiểu số làm nên. Ở thời điểm đầu:
Khi U↑ ⇒ I↑. Đến giới hạn U
t
toàn bộ các điện tích thiểu số có mặt trong diode đều di chuyển để tạo dòng
điện ngược nên dòng điện không tăng (tăng rất chậm).
Khi
BR
U U≥
các điện tích di chuyển trong điện trường và được tích luỹ năng lượng W=
2
2
mv
.
Trong quá trình di chuyển chúng va chạm với các nguyên tử, vì động năng lớn chúng bẻ gẫy các liên kết
của các nguyên tử trong mạng tinh thể tại vùng chuyển tiếp làm xuất hiện điện tử tự do mới. Các điện tích
mới này chịu tác động của điện trường sẽ được gia tốc và bắn phá các nguyên tử khác. Do vậy một phản
ứng dây chuyền xảy ra làm dòng ngược tăng nhanh. Dòng điện này sẽ gây phá huỷ diode.
Để bảo vệ diode trong thực tế người ta cho diode làm việc với điện áp U≤(0,7-0,8)U
BR
.
Biểu thức giải thích đặc tính V-A:
[ ]

11
−=






−=
u
s
KT
eu
s
eIeIi
λ
Với: e=1,59.10
-19
C Với:
84,3
==
KT
e
λ
K=1,38.10
-23
I
s
: Là dòng điện dò.
1.2.2. Quá trình chuyển trạng thái

Khác với đặc tính V-A là đặc tính tĩnh, đặc tính u(t), i(t) cho thấy dạng của điện áp và dòng điện
theo trên diode theo thời gian gọi là đặc tính động hay đặc tính đóng cắt của diode. Đặc tính đóng/cắt tiêu
biểu của diode được cho trên hình
Quá trình khoá diode bắt đầu khi đóng khóa S. Dòng
qua diode giảm dần, trong khoảng thời gian này diode vẫn
còn phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong lớp tiếp
giáp p-n được di chuyển hết ra bên ngoài. Thời gian di
chuyển của các điện tích phụ thuộc tốc độ tăng trưởng dòng
ngược di/dt và lượng điện tích tích luỹ, phụ thuộc giá trị
dòng điện mà diode dẫn trước đó. Khi dòng điện ngược đạt
giá trị cực đại, tiếp giáp p-n trở lên phân cực ngược và diode
ngừng dẫn dòng điện, điện áp rơi trên diode bắt đầu tăng.
Trong giai đoạn tiếp theo tụ điện tưong đương của tiếp giáp p-n được nạp tới điện áp phân cực ngược, dòng
điện qua diode giảm dần về giá trị bằng dòng rò.
Phần diện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng lượng điện tích phải di chuyển
ra bên ngoài. Phần điện tích này là điện tích phục hồi. Thời gian giữa giai đoạn t
rr
gọi là thời gian phục hồi.
Nhận xét:
Khi điện áp biến thiên với tần số cao, f=100Khz thì diode bình thường sẽ không còn chế độ khoá
nữa. Đặc tính van một chiều sẽ mất. Khi đó diode gần giống với một điện trở
5
1.2.3. Các thông số cơ bản của một diode
1. Giá trị trung bình của dòng điện cho phép qua diode, I
D
(I
F
)
.
Đây là dòng trung bình cho phép

chảy qua diode với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn không vượt quá một giá trị
cho phép. Trong thực tế dòng điện trung bình qua diode phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và
nhiệt độ môi trường. Công suất phát nhiệt sẽ bằng tích của dòng điện chạy qua diode với điện
áp rơi trên nó. Vì vậy dòng trung bình là một tham số quan trọng để chọn diode.
2. Dòng điện thuận cực đại không lặp lại, I
FSM
3. Điện áp ngược lớn nhất mà diode bị đánh thủng, U
ngmax
(U
BR
). Là giá trị điện áp lớn nhất cho
phép đặt lên diode. Khi sử dụng cần đảm bảo tại bất kỳ thời điểm nào điện áp ngược trên diode
không lớn hơn U
ngmax
. Trong thực tế phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là
phải chọn diode có thông số U
ngmax
ít nhất bằng 1,2 đến 2 lần giá trị biên độ điện áp lớn nhất đặt
trên diode tính toán được trên sơ đồ.
4. Điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận U
F
5. Nhiệt độ mặt ghép T
j
1.3 . TRANSISTOR CÔNG SUẤT BJT( Bipolar Junction Tranzitor)
Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo nên từ 2 tiếp giáp p-
n.Tranzito có 3 cực như hình vẽ.
Tranzito công suất thường là loại n-p-n
Hoạt động: Xét loại n-p-n
Lớp bán dẫn n
-

có cấu tạo giống như lớp n, nhưng có ít điện tử tự do hơn. p - n
-
là vùng có trở kháng
cao, do đó tranzitor chịu được điện áp cao hay thấp phụ thuộc độ dày miền n
-
. Ở chế độ bão hoà, dòng điện
6
Hình 1.9. Cấu tạo transistor BJT
điều khiển I
b
lớn, các điện tử được đưa thừa vào vùng p, các điện tích trung gian không trung hoà hết ⇒
vùng bazơ có điện trở nhỏ ⇒ có dòng điện chạy qua. Do tốc độ trung hoà điện tích không kịp, tranzitor
không còn khả năng khống chế dòng điện.
1.3.1. Đặc tính V-A
0: hở mạch BE
R: kín mạch BE qua điện trở R
S: Ngắn mạch BE
U: Đặt điện áp ngược lên BE
Transistor công suất có 2 vùng làm việc: khuếch đại tuyến tính và đóng mở bão hòa. Trong lĩnh vực
điện tử công suất, transistor hoạt động chủ yếu ở vùng đóng mở bão hòa (vùng gạch chéo )
1.3.2. Quá trình quá độ của transistor
1.3.3. Các thông số cơ bản
I
C
– dòng điện định mức
β - hệ số khuếch đại dòng điện
I
B
= I
C

/ β– dòng điện bazơ mA
∆U – sụt áp thuận
7
Hình 1.10. Đặc tính V-A Hình 1.11. Đặc tính V-A
Hình 1.11. Quá trình chuyển trạng thái