tài liệu thí nghiệm điện tử công suất

1
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
  







GIÁO TRÌNH

THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT









BIÊN SOẠN: NGUYỄN VĂN THIỆN

2
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


BÀI 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

1.1. MỤC ĐÍCH

Khảo sát các linh kiện công suất: Diode công suất, Thyristor (SCR), TRIAC,
transistor Công suất ( BJT , MOSFET ) , IGBT, GTO. Trong lĩnh vực điện tử công
suất, các linh kiện này được dùng như các chuyển mạch (switch). Vì vậy, ta chỉ

khảo sát chúng trong hai chế độ đóng (dẫn) và ngắt (ngưng dẫn), riêng với SCR
và Triac ta sẽ khảo sát thêm các đặc tính cơ bản như điện thế phân cực, dòng
kích, góc mỡ (điều khiển pha)…

Qua bài thực hành này, sinh viên sẽ hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của các
linh kiện công suất, từ đó có thể ứng dụng chúng trong thực tế.

1.2. KIẾN THỨC NỀN

Để làm tốt bài thí nghiệm này, sinh viên phải tự ôn tập kiến thức nền trong
các giáo trình lý thuyết đã học. Đây là các linh kiện quen thuộc, nên trong các
phần sau đây chỉ

nhắc lại một số vấn đề cơ bản.
1.2.1. Diode công suất:
Diode bán dẫn được cấu tạo trên lớp tiếp xúc bán dẫn khác loại ( hình 1.a )
thường là bán dẫn loại N và loại P. Hình 1b là kí hiệu theo quy ước và hình 1c
là hình dạng

thực tế của diode công suất.
Do hiệu ứng khuếch tán các phần tử tải điện cơ bản giữa 2 miền, tại lớp tiếp
xúc

(phần truyền) sẽ hình thành 1 hiệu điện thế tiếp xúc, tạo ra từ trường E để
ngăn ngừa sự khuếch tán tiếp tục của các phần tử tải điện cơ bản. Kết quả là ở
trạng thái cân bằng , ở ranh giới tiếp xúc tạo ra vùng nghèo các phần tử tải điện.
Khi đặt vào diode một điện trường ngoài ( U ), trạng thái cân bằng bị phá vỡ,
nếu

nối điện thế ngoài theo chiều dương + với Katod và chiều âm – nối với
Anod của diode, sẽ tạo ra điện trường ngoài cùng chiều với điện thế tiếp xúc,
điện trường tổng cộng sẽ làm tăng hàng rào điện thế, làm vùng nghèo được mở
rộng .Vùng nghèo của

lớp tiếp xúc không cho phép các phần tử tải điện chuyển
qua phần truyền và dòng qua

phần truyền chỉ là dòng điện rò ( dòng rỉ).
Nối điện thế ngoài theo chiều + với Anod và – với Katod của diode ,
điện

trường ngoài sẽ ngược chiều với điện trường của điện áp tiếp xúc , điện
trường tổng

cộng sẽ làm giảm hàng rào điện thế , cho phép các phần tử tải điện
dịch chuyển qua

vùng tiếp xúc và tạo ra dòng điện qua diode. Trên hình 1b mô
tả đặc tuyến volt-ampe

của diode tương ứng với quá trình mô tả trên .Ứng với
nhánh phân cực ngược dòng rĩ

là không đáng kể , song nó phụ thuộc nhiều vào
nhiệt độ.
3
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất



A

G

P1
N1
P2

N2


K

















Hình 1

a.Cấu trúc b. Ký hiệu c. Hình dạng thực tế

Diode công suất làm việc với dòng thuận lớn vì vậy đòi hỏi chế độ giảm
nhiệt

hợp lí, thích hợp. Thông thường sẽ có 1 cực tính được chế tạo thuận lợi cho
việc ghép

với nhôm tản nhiệt.
Các diode công suất sử dụng cho các thiết bị công nghiệp thường đòi hỏi
phải

có khả năng chịu đựng điện áp ngược lớn , khoảng vài trăm cho đến vài
ngàn Volt.

Dòng điện định mức (dòng tải chính hay dòng thuận) phải đạt vài trăm
Ampe.

1.2.2. Thyristor – SCR ( Silic Controler Retiffier )
Thyristor có tên ghép là thyratron và transistor, được cấu tạo từ bốn lớp
chất bán dẫn p-n-p-n như hình 2a, có các điện cực A(Anod), K(Katod), G( gate),
kí hiệu

qui ước như hình 2b và hình dáng bên ngoài như hình 2c.

K


A
G

J1

J2

J3
G
K

A



Hình 2
4
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


a.Cấu trúc b. Ký hiệu c. Hình dạng thực tế
Thyristor có 3 lớp tiếp xúc J1, J2, J3 với các điện trường nội gây ra bởi
hiệu ứng

tiếp xúc giữa hai lớp chất bán dẫn E1, E2, E3. Khi nối Anod

với cực +
và Katod với cực – của nguồn một chiều thì J1 , J3 được phân cực thuận và

J2
được phân cực nghịch . Kế quả là toàn bộ điện thế nguồn đặt lên lớp tiếp xúc J2.

Nếu tác động vào cực Gate một điện thế dương so với Katod sẽ làm cho
các

phần tử tải điện cơ bản của N2( điện tử ) chảy sang P2, một phần điện tử
chảy vào

cực Gate (tạo thành dòng điều khiển, đa số các phần tử còn lại chịu
lực hút của điện trường tổng hợp trên J2 và chuyển động qua J2. Nhận năng
lượng đủ lớn của điện

trường tổng cộng, các điện tử sẻ bị ion hóa các nguyên tử
bán dẫn tạo ra các lớp điện

tử mới ( điện tử thứ cấp ). Các điện tử thứ cấp lại
nhận năng lượng và gây ion hóa tiếp

theo . Kết quả là tạo ra một thác lũ điện tử
trong lớp tiếp xúc J2 chảy vào N1, sau đó

qua cực P1 và tới cực Anod tạo thành
dòng qua Thyristor . Thyristor làm việc trong

chế độ này là chế độ mở, có điện
trở thuận nhỏ và dòng dẫn lớn nhất . Khi Thyristor

đã mở ( dẫn ) thì tín hiệu điều
khiển trở nên mất tác dụng.
Trong trường hợp không có tín hiệu điều khiển ở cực Gate hiện tượng
thác lũ

như trên vẫn có thể xảy ra khi tăng điện thế U đặt lên Thyristor. Khi điện
thế U đủ lớn

( U>Umồi ) các điện tử nhận đủ năng lượng để gây ra quá trình ion
hóa do va chạm, làm mở Thyristor trong trường hợp này hoạt động của
Thyristor gần giống như hoạt động của đèn Neon.

Để đưa Thyristor rở về trạng thái khóa , cần tiến hành theo 2 cách như sau :
_ Giảm dòng dẫn I xuồng giá trị duy trì trạng thái dẫn .
_ Đảo chiều điện hế phân áp U hoặc tạo điện thế phân cực ngược cho
Thyristor.
Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor đang dẫn ( Anod nối – và Katod nối
+ ) 2

lớp tiếp xúc J1 và J3 bị phân cực ngược , J2 được phân cực thuận . Các
điện tử đang

hiện diện trong Thyristor sẻ đảo chiều hành trình tạo dòng điện
ngược từ Anod về

Katod và về cực – của nguồn. Tại thời điểm chuyển từ mở
sang cấm dòng điện này

khá lớn , sau đó khi J1 và J3 bị cấm , các điện tử giữa
chúng sẽ dần bị tiêu tán, cấu

trúc phần truyền của Thyristor được khôi phục trở
lại, Thyristor chuyển sang trạng

thái cấm với dòng đi qua nó nhỏ lại. Sau khi

Thyristor cấm việc đảo cực điện thế U (

U>Umồi trên Thyristor hay Anod nối
+ và Katod nối - ) không làm Thyristor dẫn . Cần

lưu ý khi Thyristor chuyển từ
dẫn sang cấm trong khoảng thời gian đầu (T
OFF
) khoảng vài chục µs ,
Thyristor còn dẫn với dòng ngược lớn. Nếu trong khoảng thời

gian này đặt lên
Thyristor ngay 1 điện thế ngược có thể làm hỏng Thyristor.
Đặt trưng Volt –Ampe của Thyristor được mô tả như hình 3a.
Thyristor có cấu trúc và hoạt động tương đương với cặp transistor ghép
liên kết

collector-base như hình 3b.
Mỗi loại thyristor có cấu tạo đặc trưng khác nhau , do đó khi sử dụng
cần lựa

chọn loại nào cho thích hợp với yêu cầu .
_ Dòng điện định mức I
đm
: tùy loại 1A đến 1000A
5
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


_ Dòng rĩ khoảng vài mA

_ Điện áp ngược cực đại U
ngược max
: từ vài trăm Volt cho đến vài KV
_ Dòng điện điều khiển I
G
: thông thường khoảng 200mA đến 500mA
_ Tốc độ tăng dòng điện dI/dT : vài A/µs
_ Tốc độ tăng điện áp dV/dT : V/µs
_ Thời gian khóa khoảng vài chục µs
_ Thời gian mở khoảng vài µs

Quá trình chuyển từ mở sang đóng không xãy ra tức thời .Nếu Thyristor
chưa cấm hẳn mà xác lập lại điện thế U để U
A-K
dương sẻ làm đoản mạch
nguồn và làm

Thyristor hỏng .
Khi đặt vào Thyristor điện thế xoay chiều , Thyristor chỉ làm việc với bán kỳ

dương mà không làm việc ở bán kỳ âm của điện thế nuôi. Ở bán kỳ âm thyristor sẽ tự
động chuyển về chế độ cấm do có sự đảo chiều điện thế của nguồn cung cấp.




Hình 3
a.Đặc tính V-A b. Mạch tương đương 2 BJT

1.2.3. TRIAC ( Triode Alternative Current )

Như đã trình bày ở trên, Thyristor là linh kiện chỉ mở khi phân cực điện
áp

U
A-K
dương. Nếu như ghép 2 Thyristor song song ngược chiều nhau, có
thể điều

khiển mở được 2 chiều âm và dương.Trong trường hợp này cần phải
có 2 tín hiệu

điều khiển đồng bộ với nhau nên gây chút khó khăn . Do đó để
khắc phục vấn đề này

người ta chế tạo ra 1 linh kiện đó là TRIAC. TRIAC là
linh kiện tương đương 2

Thyristor ghép song song nhưng ngược chiều nhau và
có chung 1 cực điều khiển.
Do TRIAC làm việc được với cả nguồn dương và nguồn âm nên khái
niệm

Anod và katod không còn phù hợp nữa. Các cực của TRIAC được sử
dụng là T1 (

MT1 ) và T2 ( MT2) cho các cực lối ra và cực điều khiển Gate ở gần
T1.
Cấu trúc cấu tạo của TRIAC có thể mô tả bằng 2 cấu trúc chứa 4 lớp chất
6
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

bán

dẫn Ta và Tb tương tự như hình 4a. Trong trường hợp T2 nối với nguồn +
và T1 nối

với nguồn -, Gate nối với +, 1 phần TRIAC làm việc giống như 1
Thyristor thông thường . Nếu nguồn phân cực ngược lại, điện tử trong vùng N3
sẽ phóng vào P2 gây ra quá trình thác lũ do va chạm làm dẫn Tb. Trong thực tế
TRIAC được thiết kế với

cấu trúc liên kết với các lớp chất bán dẫn N1, P1, N2,
P2 là chung cho 2 nữa . Ký hiệu

qui ước TRIAC như hình 4b.



Hình 4
Đặc trưng Volt-Ampe của TRIAC có tính đối xứng như hình 5. Nhánh ở phần

tư thứ 1 tương ứng với trường hợp V
T2
> V
T1
, nhánh ở phần tư thứ 3 mang đặc trưng

tương ứng với sự đảo chiều điện thế phân cực , nghĩa là V
T2

< V
T1
.
Khác với Thyristor, TRIAC có thể làm việc với điện thế điều khiển âm và
không đổi trạng thái khi đảo cực của nguồn điện thế nuôi.






U

I

U

I
>





7
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


1.2.4. Transistor MOS công suất
Transistor MOS công suất thực chất là transistor trường hay còn gọi là

FET (Field Effect Transistor ) tuy nhiên FET công suất thường được chế tạo bằng
công nghệ

MOS ( Metal-Oxide-Semiconductor ) nên thường gọi là MOSFET công
suất.
MOSFET công suất là 1 linh kiện chuyển mach điện tử nhanh và công suất
lớn .
Cấu trúc MOSFET có các cực chính là : Drain (máng), Source (nguồn) và
cực

khiển Gate (cực cửa) . Khác với transistor lưỡng cực thông thường, khi điện
áp giữa

cực Gate và cực Source có giá trị là 0V

thì MOSFET không dẫn cho dù
điện thế giữa 2

cực đạt đến giá trị vài trăm Volt.

1.2.5. Đặc Điểm Sử Dụng Transistor Lưỡng Cực, MOSFET, Thyristor

Do đặc điểm làm việc chịu đựng điện áp cao, dòng lớn , các đặc tính cách
điện

cao khi ngắt và điện trở dẫn nhỏ , khả năng chuyển mạch nhanh, dễ ghép
với sơ đồ

điện tử. Các linh kiện Điện Tử Công Suất được ứng dụng rộng dãi
thay cho các

chuyển mạch tiếp điểm.
Việc lựa chọn linh kiện nào cho từng ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào các
trị số

giới hạn, các tổn hao, thời gian chuyển mạch nhanh hay chậm , giá thành.
Thyristor có trị số giới hạn về dòng điện và điện áp là cao nhất, tổn hao
nhỏ,

giá thành tương đối.Tuy nhiên Thyristor có thời gian chuyển mạch chậm
vì vậy chỉ thích hợp cho các mạch sơ đồ biến đổi điện áp lưới ( có tần số 50Hz
hoặc 60Hz ) như các bộ chỉnh lưu, biến đổi điện áp xoay chiều, nghich lưu
biến tần với tần số thấp

(thường < 250Hz).
Đối với các sơ đồ nghịch lưu ần số cao ( > 15KHz ) thì sử dụng MOSFET
thích

hợp hơn. Ở dãy tần 20KHz – 100KHz, transistor lưỡng cực thường được
sử dụng vì có đặc tính tác động nhanh, tuy tổn hao điều khiển nhiều hơn
MOSFET .
Về chế độ nhiệt, các transistor công suất có thể chịu nhiệt đạt 200
o
C ,
trong khi

đó Thyristor chỉ đạt đến 125
o
C.
Đặc biệt do các mạch công suất hay có sự cố, Thyristor có tính bảo vệ

chống lại

sự cố nên thường được chọn để sử dụng.
TRIAC thường có công suất nhỏ hơn so với Thyristor nên khả năng sử
dụng

chúng cũng bị giới hạn, chỉ được sử dụng trong các mạch công suất
vừa và nhỏ.
1.2.6. Các Linh Kiện Công Suất Khác
a.GTO (gate turn-off thyristor )

Có cấu tao phức tạp hơn Thyristor thông thường nhằm giải quyết vấn đề
khó

khăn khi sử dụng Thyristor là làm sao để ngắt khi đang dẫn . Ở đây GTO
có thể ngắt

bằng cách kích vào cực Gate 1 xung âm , trước đó GTO dẫn nếu
được phân cực thuận

vào được kích bằng xung dương.



8
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

Hình 6 : Cấu tạo , kí hiệu , sơ đồ tương đương và hình dạng của GTO

GTO có cấu tạo gồm bốn lớp pnpn tương tự với thyristor thông thường (SCR)-

hình 6a, với các tính năng tương tự của thyristor với điểm khác biệt là có thể điều

khiển ngắt dòng điện qua nó. Mạch tương đương GTO được vẽ trên hình 6c có cấu

trúc tương tự mạch mô tả SCR nhưng có thêm cổng kích ngắt mắc song song cổng
kích đóng. Ký hiệu linh kiện GTO vẽ trên hình 6b. Cấu trúc thực tế (loại GTO đối

xứng) hình 6.

Hình 7: cấu tạo và nguyên tắt đóng ngắt GTO



Hình 8 Đặc tính đóng ngắt



9
Tài liệu TN Điện Tử Công Suất



Hình 9 Quá trình thay đổi trạng thái đóng ngắt của GTO
GTO được kích đóng bằng xung dòng điện tương tự như khi kích đóng thyristor
thông thường. Dòng điện kích đóng được tăng đến giá trị I
GM
và sau đó giảm xuống

đến giá trị I
. Điểm khác biệt so với yêu cầu xung kích đóng SCR là dòng kích i
G G
phải
tiếp tục duy trì trong suốt thời gian GTO dẫn điện.
Để kích ngắt GTO, xung dòng điện âm lớn được đưa vào cổng G – cathode với
độ dốc (di
/dt) lớn hơn giá trị qui định của linh kiện, nó đẩy các hạt mang điện khỏi
GQ
cathode, tức ra khỏi emitter của transistor pnp và transistor npn sẽ không thể hoạt
động ở chế độ tái sinh. Sau khi transistor npn tắt, transistor pnp còn lại sẽ hoạt động
với cổng kích đóng ở trạng thái mở và linh kiện trở về trạng thái không dẫn điện.
Tuy nhiên, dòng điện yêu cầu mạch cổng G để tắt GTO có giá trị khá lớn.

Trong khi xung dòng điện cần đưa vào cổng để kích đóng GTO chỉ cần đạt giá trị

khoảng 3-5%, tức khoảng 30A với độ rộng xung 10µs đối với loại linh kiện có dòng

định mức 1000A thì xung dòng điện kích cổng để ngắt GTO cần đạt đến khoảng 30-

50%, tức khoảng 300A với độ rộng xung khoảng 20-50 s.
Mạch cổng phải thiết kế có khả năng tạo xung dòng kích tối thiểu đạt các giá trị
yêu cầu trên (I

GQM
). Điện áp cung cấp mạch cổng để tạo xung dòng lớn vừa nêu
thường có giá trị thấp, khoảng 10-20V với độ rộng xung khoảng 20-50 s năng lượng
tiêu tốn cho việc thực hiện kích ngắt GTO không cao.
Quá trình điện áp và dòng điện mạch anode và mạch cổng khi kích đóng GTO

và kích ngắt nó được mô tả trên hình hình 8 và hình 9. Năng lượng kích ngắt GTO

nhiều gấp 10-20 lần năng lượng cần cho quá trình kích đóng GTO. Điểm bất lợi về

mạch kích ngắt là một nhược điểm của GTO khi so sánh nó với IGBT. Hệ quả là thời

gian ngắt dòng điện kéo dài, khả năng chịu di/dt, dv/dt kém, mạch bảo vệ khi kích

đóng và kích ngắt làm tăng chi phí lắp đặt cũng như làm công suất tổn hao tăng lên.
Do khả năng kích ngắt chậm nên GTO được sử dụng trong các bộ nghịch lưu

điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, điều này chấp

nhận được trong các ứng dụng công suất lớn. Mạch điều khiển kích ngắt GTO có giá

thành tương đương giá thành linh kiện.
Độ sụt áp của GTO khi dẫn điện cao hơn khoảng 50% so với thyristor nhưng

thấp hơn 50% so với IGBT với cùng định mức. GTO có khả năng chịu tải công suất

lớn hơn IGBT và được ứng dụng trong các thiết bị điều khiển hệ thống lưới điện

(FACTS Controller) đến công suất vài trăm MW.
10

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

Linh kiện GTO cần phải có mạch bảo vệ. Quá trình ngắt GTO đòi hỏi sử dụng

xung dòng kích đủ rộng. Điều này dẫn đến thời gian ngắt dài, khả năng di/dt và dv/dt

của GTO thấp. Vì thế, cần phải giới hạn các trị số hoạt động không vượt quá giá trị an

toàn trong quá trình ngắt GTO.
b. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT là linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn của

Transistor lưỡng cực với tổng trở ngã vào và chịu điện thế điều khiển lớn ở cực cổng

của MOSFET. Cấu tạo , kí hiệu và sơ đồ tương đương có dạng như hình 10


1.3. NỘI DUNG THỰC HÀNH

I.Khảo sát Diode công suất
1.

Nối nguồn +12V qua tải bóng đèn và diode như hình 11a để mắc phân cực thuận

cho diode . Đo sụt áp trên diode và dòng qua diode.
2.

Nối nguồn +12V qua tải bóng đèn và diode như hình 11b để mắc phân cực
ngược

cho diode . Đo sụt áp trên diode và dòng qua diode
3.

Nối nguồn ~ 24V qua tải bóng đèn và diode như hình 12a . Sử dụng dao động ký

để quan sát tín hiệu trên tải bóng đèn .
11

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


4.

Nối nguồn ~ 24V qua tải motor và diode như hình 12b . Sử dụng dao động
ký để

quan sát tín hiệu trên tải motor.
5.

Trên cơ sở nguyên tắc hoạt động của diode , giải thích nguyên tắc hoạt động
của sơ

đồ hình 11 và hình 12. Giải thích sự khác nhau giữa 2 dạng tín hiệu trên
tải cảm (

motor ) và tải trở ( bóng đèn )

II.

Khảo sát Thysistor công suất:
1.Lắp mạch như hình vẽ:



BAT1
12V
SW1
SW -SPDT
D1
U1
THYRISTOR
L1
12V
R1
10k
D2
BAT2
1.5V
12

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


a. Bật SW1 từ 1 sang 2, bật D1. Quan sát hiện tượng và giải thích.
b. Sau đó bật SW về 1, quan sát hiện tượng trên tải và giải thích.
c. Từ câu a ấn nút D1 lần 2, quan sát hiện tượng trên tải và giải thích.
d. Từ câu a ấn nút D2 quan sát hiện tượng trên tải và giải thích hiện tượng.
2. Lắp mạch như hình vẽ:
Iện

a. Bật SW1 từ 1 sang 2, ấn nút D1quan sát hiện tượng trên tải và giải thích
hiện tượng.
b. Bật SW1 từ 2 sang 1, quan sát hiện tượng và giải thích
c. Từ câu a ấn nút D2 quan sát hiện tượng và giải thích.
III.Khảo sát đặc tính Triac
1.Lắp mạch như hình vẽ:
SW1
SW -SPDT
D1
U1
THYRISTOR
R1
10k
D2
BAT2
1.5V
L1
12V
V1
12V

13

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


1.Bật công tắc SW1 từ vị trí 1 sang 2 sang 3. Quan sát hiện tượng trên tải và giải
thích.
2.Sau đó bật công tắc về vị trí 1 quan sát hiện tượng trên tải và giải thích.
3.Đổi cực nguồn lập lại câu a, b giải thích kết quả.

B1
12V
47K
2.2K
SW1
SW -ROT-3
D1
DIODE
D2
DIODE-ZEN
D3
DIODE
D4
DIODE-ZEN
U1
TRIAC
L1
12V
14

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

BÀI 2: MÔ PHỎNG LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN
2.1. MỤC ĐÍCH

Đặc tính hoạt động của linh kiện được mô tả một cách rõ ràng nhất thông
qua đặc tuyến của nó. Đặc tuyến của các linh kiện điện tử chỉ phụ thuộc vào
loại linh kiện mà không phụ thuộc vào công suất của nó và chúng ta cũng đã
biết trong các môn lý thuyết linh kiện điện tử và điện tử công suất. Đặc tuyến
của một linh kiện có thể xây dựng từ

thực nghiệm hoặc vẽ ra từ mô hình toán
học của nó. Tuy rằng linh kiện công suất hoạt động chủ yếu ở hai chế độ ngắt
(ngưng dẫn) và đóng (dẫn bão hòa), nhưng việc vẽ đặc tuyến của linh kiện
giúp cho sinh viên nắm được đặc tính hoạt động của linh kiện, từ đó sử dụng
chúng tốt hơn trong các mạch công suất. Vì vậy, nội dung chủ yếu của bài này
là vẽ đặc tuyến của các linh kiện điện tử cơ bản từ các mô hình toán học của
nó, với sự trợ

giúp của máy tính. Bài thực tập này còn giúp cho sinh viên nắm
được các nguyên tắc cơ

bản của việc mô phỏng linh kiện hay mạch điện tử bằng
máy vi tính.
2.2. NỘI DUNG

2.2.1. DIODE:

Đặc tuyến biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện I [A] qua diode vào điện
áp V[V] giữa anode A và cathode K của diode.

Qui ước: chiều dương của I là chiều từ anode đến cathode, tương ứng
với chiều dương của điện áp hướng về anode. Hình 2.1 mô tả cấu tạo (a) và ký
hiệu của diode (b).


- Mô hình toán học

Trong đó: I
S
là dòng điện rỉ; T là nhiệt độ tuyệt đối; e = 1,59.10
-19
C
và k = 1.38.10
-23
(hằng số Boltzmann).
15

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

I
S
= 1,2mA đối với diode Germanium. I
S
= 0,2nA
đối với diode Silicon.

Ở nhiệt độ bình thường T = 300
0
K, V

t
= 0,026 Volt.
Khi phân cực thuận, dòng điện qua diode tăng nhanh, vì thế phải hạn chế dòng điện
qua diode để nó không bị đánh thủng. Khi diode dẫn diện, điện áp phân cực thuận V=0,3
Volts đối với diode Ge và V=0,7 Volts đối với diode Si. Do đó, V/V
t
> 10 và exp(V/V
t
) >>1


Suy ra


Công thức trên chỉ đúng khi dòng điện qua mối nối khá lớn. Với dòng điện nhỏ
(vài mA trở xuống) dòng điện qua diode là:
I ≈ I
s
[exp(V/ηV
t
)-1]
Trong đó: η=1 đối với diode Ge, η=2 đối với diode Si
2.2.2. Thực Hành
Dựa vào mô hình toán học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến I-V của diode bằng
ngôn ngữ MATLAB (hoặc ngôn ngữ tuỳ ý) với V biến thiên từ 0V đến 0.7V cho diode
Si ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mô phỏng được với
đặc tuyến lý thuyết đã học.

16

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

BÀI 3: CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN (DIODE CÔNG SUẤT)

3.1. MỤC ĐÍCH
-
Khảo sát mạch chỉnh lưu không điều khiển dùng Diode công suất.

3.2.CÁC KIẾN THỨC LIÊN QUAN
- Các nguyên tắc cấu tạo của diode
- Các mạch chỉnh lưu dùng diode: chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ, chỉnh lưu cầu
một pha.

3.3.NỘI DUNG THỰC HÀNH
I. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ:
1.Mắc sơ đồ như hình 3.1a . Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu trên tải đèn .
Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải trở ( đèn ) theo điện áp vào .
2.Thay thế tải trở ( đèn ) bằng tải có tính cảm như hình 3.1b ( motor ) .
Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải có tính cảm ( motor ) theo điện áp vào .
3.So sánh dạng sóng trên 2 dạng tải trở và tải có tính cảm . Giải thích sự khác nhau

giữa chúng .

Hình 3.1
II.Chỉnh lưu một pha cả chu kỳ:
a.

Mắc sơ đồ như hình 3.2 . Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu trên tải đèn .
Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải trở ( đèn ) theo điện áp vào.
b.

Thay thế tải trở ( đèn ) bằng tải có tính cảm nhu hình 3.2b ( motor ) .
Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải có tính cảm ( motor ) theo điện áp vào.
c.So sánh dạng sóng trên 2 dạng tải trở và tải có tính cảm . Giải thích sự khác nhau

17

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

giữa chúng.
























18

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

BÀI 4: LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU BẰNG MATLAB

4.1.
MỤC ĐÍCH

- Biết cách xây dựng mô hình tóan học để mô phỏng mạch điện tử, đặc
biệt là mạch điện tử công suất.
- Nắm vững nguyên tắc họat động của mạch chỉnh lưu không điều khiển và
có
điều khiển.
- Thấy rõ dạng điện áp và dòng điện ở ngã ra, đặc biệt khi tải có cảm kháng.
- Rèn luyện kỷ năng xây dựng phần mềm mô phỏng.
- Củng cố các kiến thức và kỹ năng đã học trong bài 2.

4.2.
KIẾN THỨC NỀN

- Sinh viên tự ôn tập lý thuyết về mạch chỉnh lưu không điều khiển và có
điều khiển; một pha và 3 pha.
- Giả sử các linh kiện công suất được dùng là lý tưởng và đóng vai trò của một
công tắc (khi đóng điện thế giữa 2 cực chính bằng 0, khi ngắt dòng điện qua nó
bằng 0).
- Khi mô phỏng mạch chỉnh lưu bằng MATLAB, ta không thể sử dụng các khối
dựng sẵn trong thư viện SIMULINK. Vì vậy, ta phải xây dựng mô hình toán học
cho mạch điện (các phương trình của dòng điện và điện áp), từ đó viết chương
trình mô phỏng.
4.3.
THỰC HÀNH

Trong bài này, sinh viên sẽ mô phỏng mạch chỉnh lưu 3 pha, với nguồn điện 3
pha lý tưởng có các điện áp pha lệch nhau 120
0
, như sau:
u
1
= u
m
sin(x),
với x=Ωt=2πFt
u
2
= u
m
sin(x-2π/3)
u
3
= u
m
sin(x-4π/3)
Các linh kiện công suất được giả thiết là lý tưởng, hoạt động ở 2 trạng thái: đóng
(điện trở giữa 2 cực chính bằng 0, điện áp rơi bằng 0), ngắt (điện trở giữa 2 cực chính bằng
∞).
4.3.1. Chỉnh lưu 3 pha mạch tia không điều khiển
Xét trường hợp tải R-L-E và giả sử có thể bỏ qua tổng trở của nguồn

19

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

a. Chương trình mẫu


20

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất





21

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất




function ham=phuongtrinh1(x,i)
%Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s.
global u R L E f u_m
ham=(-i(1)*R/L+ u_m*sin(x)/L-E/L)/(2*pi*f);
function ham=phuongtrinh2(x,i)
% Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s
global u R L E f u_m

ham(1)=(-i(1)*R/L+ u_m*sin(x-2*pi/3)/L-E/L)/(2*pi*f);
function ham=phuongtrinh3(x,i)
% Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s
global u R L E f u_m
ham(1)=-i(1)*R/(2*pi*f*L)+ u_m*sin(x-4*pi/3)/(2*pi*f*L)-E/(2*pi*f*L);

b. Câu hỏi
Chạy chương trình MATLAB cl_diode_RLE với điện áp hiệu dụng của nguồn 3 pha là
220V, điện trở tải là R=10 Ω, E=0V, F=50Hz, lần lượt với các giá trị L khác nhau:
L=0H, L=0.001H, L=0.01H và L=0.1H. Nhận xét (so sánh các trường hợp L khác
nhau và so với lý thuyết).


22

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

BÀI 5: MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PSIM

5.1. MỤC ĐÍCH:

Dùng phần mềm PSIM để mô phỏng mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu
kỳ và mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ. So sánh với kết quả trong
bài 3 và bài 4. Từ đó củng cố được kiến thức về việc điều khiển đóng ngắt các linh
kiện công suất nói chung và mạch chỉnh lưu có điều khiển nói riêng. Đồng thời
hình thành được phương pháp và kỹ năng viết chương trình mô phỏng cũng như sử
dụng các phần mềm mô phỏng có sẵn.
5.2. KIẾN THỨC NỀN:

Sinh viên tự ôn tập lý thuyết về mạch chỉnh lưu không điều khiển và
có điều khiển; một pha và ba pha.
Giả sử các linh kiện công suất được dùng là lý tưởng và đóng vai trò của
một công tắc (khi đóng điện thế giữa 2 cực bằng 0, khi ngắt dòng điện qua nó
bằng 0).
Phần mềm PSIM của Powersim Inc.
PSIM là một phần mềm đóng gói chuyên dùng cho việc mô phỏng mạch
điện tử

công suất và điều khiển mô tơ. Nó có các ưu điểm là tốc độ nhanh, giao
diện thân thiện với người dùng và có chức năng xử lý hiển thị dạng sóng của tín
hiệu. Bao gồm 03 chương trình: chương trình vẽ sơ đồ mạch điện SIMCAD;
chương trình mô phỏng PSIM; chương trình xử lý và hiển thị dạng sóng
SIMVIEW.
Một mạch điện được trình bày bởi PSIM gồm 04 khối: mạch công suất,
mạch điều khiển, cảm biến và các bộ điều khiển switch.

Để mô phỏng một mạch điện hoặc một hệ thống điều khiển, ta tiến hành các
bước sau:
-Khởi động PSIM (Theo sự chỉ dẫn của giảng viên): Một giao diện mô
phỏng SIMCAD xuất hiện, như hình 5.1:
23

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


Trên menu, từ File ta chọn New (thực hiện mạch điện mới) hoặc Open (để mở

project cũ đã lưu dưới dạng file có phần mở rộng là “.sch”).
Các thao tác cơ bản để thực hiện một mạch điện mới:

-Chọn linh kiện, nguồn tín hiệu và các thành phần khác từ Elements trên
menu hoặc trên thanh công cụ ở phía dưới màn hình ( nhấp chuột trái vào phần
tử muốn chọn. Sau đó nhấp chuột vào vị trí muốn đặt phần tử đó trên cửa sổ
thiết kế, có thể quay phần tử đã chọn từ Rotate trên menu Edit hoặc nhấp chuột
trái vào biểu tượng tương ứng trên menu bar).
- Thực hiện các đường mạch nối các linh kiện và các thành phần khác: chọn
Wire trên menu Edit hoặc biểu tượng tương ứng trên menu bar, sau đó rê
chuột giữa các điểm muốn nối.
-Đặt các tham số của các linh kiện: nhấp chuột trái vào biểu tượng “mũi tên” trên
menu bar, rồi nhấp chuột trái vào thành phần muốn đặt tham số, sau đó chọn
Attributes trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F4), một cửa sổ con hiện ra, cho
phép ta nhập các tham số cần thiết. Chú ý các tham số và đơn vị

tính của các
linh kiện.
-Dán nhãn: chọn Label trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F2) , nếu cần.
Chạy chương trình mô phỏng: chọn Run Simulation trên menu Simulate, hoặc
ấn phím tắt F8, hoặc nhấp chuột trên biểu tượng tương ứng trên menu bar. Ở chế
độ mặc định (Auto-Run SIMVIEW), một cửa sổ con “Data Display Selection”
hiện ra cho phép ta chọn các biến cần hiển thị đã liệt kê sẵn (theo các thiết bị và
điện áp có trong mạch điện). Nếu muốn hiển thị đồ thị của một đại lượng (biến)
nào đó, ta cần phải đặt thiết bị đo lường tướng ứng vào vị trí đó trên mạch điện.
-Sinh viên cần tham khảo trước về PSIM trong các tài liệu trên mạng.
24

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất

5.3.THỰC HÀNH:
5.3.1.Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ:
a.Mở phần mềm PSIM và vẽ mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển hình 5.2:

-Thiết lập các giá trị phù hợp.
-Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng điện thế tải ud, dạng sóng dòng điện tải id.
-Giải thích dạng sóng ud, id.
-Dựa vào đồ thị dạng sóng điện áp tải, tính giá trị điện áp trung bình giữa 2 đầu
tải
b.Thay đổi V1 để thay đổi góc kích α. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng ứng
với góc kích α= 2π/3 (V1 = 120 Volt).
c.Thiết lập L=0.05H. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng ud, id. So sánh với
dạng sóng ở câu a và giải thích.
5.3.3.Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ:
a.Mở phần mềm PSIM và vẽ mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển hình 5.3:
25

Tài liệu TN Điện Tử Công Suất


-Thiết lập các giá trị phù hợp.
-Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng điện thế tải ud, dạng sóng dòng điện tải id.
-Giải thích dạng sóng ud, id.
-Dựa vào đồ thị dạng sóng điện áp tải, tính giá trị điện áp trung bình giữa 2 đầu
tải
b.Thay đổi V2 để thay đổi góc kích α. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng ứng
với góc kích α= 2π/3 (V1 = 120 Volt).
c.Thiết lập L=0H. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng ud, id. So sánh với dạng
sóng ở câu a và giải thích.