bài giảng môn điện tử công suất (2)

1
TRƯỜNG ðẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA ðIỆN
BỘ MÔN TỰ ðỘNG HÓA













BÀI GIẢNG PHÁT CHO SINH VIÊN
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)
Theo chương trình 150 TC
Sử dụng cho năm học 2008-2009
Tên bài giảng: ðiện tử công suất
Số tín chỉ: 3

Thái Nguyên, năm 2009



2
MỤC LỤC


Nội dung Trang
Mục lục
ðề cương chi tiết học phần
Nội dung giảng dạy
Chương I: Các linh kiện bán dẫn công suất (BDCS) ñiều khiển
I.1. Thyristor 11
I.2. Triac 16
I.3. Thyristor khoá ở cực ñiều khiển – GTO 17
I.4. Tranritor công suất – BJT 19
I.5. Tranztor trường – MOSFET 25

I.6. Tranzitor có các cực cách li – IGBT 31
I.7. Tổn hao công suất trên các linh kiện bán dẫn công suất 39
I.8. Làm mát các linh kiện bán dẫn công suất 44
Chương II: Chỉnh lưu ñiều khiển – bộ biến ñổi ñiện áp xoay chiều thành một
chiều
II.1. Tổng quan về bộ chỉnh lưu ñiều khiển 51
II.1.1. Sơ ñồ nối dây 51
II.1.2. Dòng và áp của bộ chỉnh lưu và tải 56
II.1.3. Các chế ñộ làm việc của bộ chỉnh lưu 59
II.1.4. Bộ chỉnh lưu làm việc với ñi ốt không D
0
61
II.1.5. Quá trình chuyển mạch 62
II.1.6. Ảnh hưởng của bộ chỉnh lưu ñến lưới ñiện 67
II.2. Phân tích khảo sát các sơ ñồ chỉnh lưu ñiều khiển 69
II.2.1. Các sơ ñồ chỉnh lưu hình tia 69
II.2.1.1. Sơ ñồ hình tia 1 pha không có D
0
69
II.2.1.2. Sơ ñồ hình tia 1 pha có diod D
0
70
II.2.1.3. Sơ ñồ hình tia 2 pha 74
II.2.1.4. Sơ ñồ hình tia 3 pha 79
II.2.1.5. Sơ ñồ hình tia 6 pha 84
II.2.2. Các sơ ñồ chỉnh lưu hình cầu 87
II.2.2.1. Sơ ñồ chỉnh lưu cầu 1 pha 87
II.2.2.2. Sơ ñồ chỉnh lưu cầu 3 pha 94
II.3. Các bộ chỉnh lưu mắc song song ngược ñể ñảo chiều ñiện áp cho tải 97

3
II.3.1. Khái niệm chung 97
II.3.2. Các phương pháp khống chế 98
II.4. Các phương pháp tạo xung ñiều khiển 103
II.4.1. Tổng quan về mạch tạo xung ñiều khiển 103
II.4.2. Mạch tạo xung theo pha ñứng 104
II.4.3. Mạch tạo xung theo pha ngang 127
II.4.4. Mạch tạo xung dùng ñiốt hai cực gốc 129
II.5. Tính chất ñiều khiển của bộ chỉnh lưu 137
II.6. Bảo vệ bộ chỉnh lưu 137
II.6.1. Bảo vệ sự cố 137
II.6.2. Bảo vệ khi làm việc 138
II.6.2. Bảo vệ quá áp cho các van và Bộ biến ñổi 139
Chương III: Biến ñổi ñiện áp xoay chiều – Bộ biến ñổi ñiện áp xoay chiều thành
xoay chiều
III.1. Khái niệm chung 143
III.2. Bộ biến ñổi ñiện áp xoay chiều thành xoay chiều một pha 144
III.3. Bộ biến ñổi ñiện áp xoay chiều thành xoay chiều ba pha 150
III.4. Mạch tạo xung ñiều khiển 151
III.4.1. Các mạch ñiều khiển ñơn giản 152
III.4.2. Áp dụng các phương pháp tạo xung ñiều khiển của bộ biến ñổi
ñiện áp xoay chiều thành 1 chiều ñể tạo xung ñiều khiển cho
bộ biến ñổi ñiện áp xoay chiều 154
III.5. Bảo vệ bộ biến ñổi ñiện áp xoay chiều 154
Chương IV: Bộ biến ñổi xung ñiện áp – Bộ biến ñổi ñiện áp một chiều thành
một chiều
IV.1. Nguyên lý biến ñổi và các phương phương pháp biến ñổi ñiện áp trung
bình của bộ biến ñổi ñặt lên tải 156
IV.2. Một số sơ ñồ của bộ biến ñổi bằng Tiristor 161
IV.2.1. Một số sơ ñồ mạch ñộng lực 161

IV.2.2. Quá trình chuyển ñổi của bộ biến ñổi 165
IV.3. Mạch tạo xung ñiều khiển 169
IV.4. Bộ biến ñổi dùng Tranzitor công suất 175
IV.5. Một số ứng dụng của bộ biến ñổi xung ñiện áp 175
I.5.1. Tạo bộ nguồn ñiện áp cho tải 175
IV.5.2. Biến ñổi xung ñiện trở 178
Chương V: Nghịch lưu - Bộ biến ñổi ñiện áp một chiều thành xoay chiều

4
V.1. Tng quan v nghch lu 181
V.2. Nhgch lu 1 pha 184
V.2.1. Nghch lu ỏp mt pha 184
V.2.2. Nghch lu dũng mt pha 193
V.3. Nghch lu 3 pha 195
V.3.1. Nghch lu ỏp ba pha 195
V.3.1.1. Mch ủng lc v quỏ trỡnh khng ch 195
V.3.1.2. Mch chuyn ủi v kho sỏt quỏ trỡnh chuyn ủi 198
V.3.2. Nghch lu dũng ba pha 199
V.3.2.1. Mch ủng lc v quỏ trỡnh khng ch 199
V.3.2.2. Mch chuyn ủi v kho sỏt quỏ trỡnh chuyn ủi 200
V.3.2.3. Mch ủiu khin nghch lu ba pha 202
V.4. Mt s phng phỏp nõng cao cht lng ủin ỏp ra ca nghch lu ba pha
202
V.5. Nghch lu cng hng 205
V.5.1. Khỏi nim chung 205
V.5.2. Nghch lu cng hng ngun ỏp 206
V.5.3. Nghch lu cng hng ngun dũng 208
Ph lc 211
Ti liu tham kho

Tài liệu học tập
1.Võ Quang Lạp Trần xuân Minh: Kỹ thuật biến đổi Trờng Đại học Kỹ
thuật Công Nghiệp Thái nguyên 1998
2.Võ Quang Lạp: Điện tử công suất và ứng dụng Trờng Đại học Kỹ thuật
Công Nghiệp Thái nguyên 2002
3.Võ Minh Chính Phạm Quốc Hải Trần trọng Minh: Điện tử công suất
NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội 2004

Tài liệu tham khảo:
4. Jng Karel Kreysa; Csc: Silnoproudá eleKtronika VysoKé uení Technické V
Brn Praha 1977
5. Ing. Jaroslav aek,Csc:Výkonová elektronika eské Výsoké uení
techniké V Praze 1980


5
I- CHƯƠNG 1

I.1. Mục tiêu, nhiệm vụ.
- Mục tiêu giới thiệu chức năng nhiệm vụ, cấu tạo của các linh kiện ñiện tử
công suất lớn sử dụng trong các thiết bị công nghiệp.
- Nhiệm vụ của sinh viên khi học xong phải nắm ñược các kiến thức cơ bản
về:
o Chức năng, nhiệm vụ, cấu tạo của các linh kiện ñiện tử công suất lớn
trong sử dụng trong các thiết bị công nghiệp.
o Hiểu ñược ý nghĩa và ứng dụng của các linh kiện ñiện tử công suất
lớn.

I.2. Quy ñịnh hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ
Tuần

học
Nội dung giảng dạy

Hình th
ức
học
TL
T.khảo

Tuần

1
Chương I: Các linh kiện bán dẫn công suất ñiều khiển
I.1.Thyristor
I.2.Triắc
I.3.Thyristor khoá ở cực ñiều khiển _ GTO (gate turn- off
Thyristor)
I.4.Tranritor công suất – BJT (Bipolar junetion tranzitor)
I.5.Tranztor trường - MOSFET(Metal – oxide -
semiconductor)
I.6.Tranzitor có các cực cách li – IGBT (Insulatedgate
Bipolar Tranzitor)
I.7.Tổn hao công suất trên các linh kiện bán dẫn công suất
I.8.Làm mát các linh kiện bán dẫn công suất
Giảng

1,2,3,4,5

I.3. Các nội dung cụ thể
A. Nội dung lý thuyết

6
Hình 1.2. ðặc tính Vôn-Ampe của
Thyristor
i A
I
v

I
G3

I
G2

I
G1

I
dt

Dòng dò

U
n
g, max

Chương 1
CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

I.1 THYRISTOR
Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp
giáp p-n: J
1,
J
2,
J
3.
Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực ñiều khiển (G –
Gate) như ñược biểu diễn trên hình 1.1.

I.1.1 ðặc tính Vôn-Ampe của Thyristor
ðặc tính Vôn-Ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 1.2). Phần thứ
nhất nằm trong góc phần tư thứ I là ñặc tính thuận tương ứng với trường hợp ñiện
áp U
AK
> 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là ñặc tính ngược,
tương ứng với trường hợp: U
AK
< 0.
a) Trường hợp dòng ñiện vào cực ñiều khiển bằng không (I
G
= 0)
Khi dòng vào cực ñiều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực ñiều
khiển Thyristor sẽ cản trở dòng ñiện ứng với cả hai trường hợp phân cực ñiện áp
giữa Anode-Cathode. Khi ñiện áp U
AK
< 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai
tiếp giáp J

1
, J
3
ñều phân cực ngược, lớp J
2
phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ
giống như hai diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một
dòng ñiện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi U
AK
tăng ñạt ñến một giá trị ñiện áp
lớn nhất U
ng.max
sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị ñánh thủng, dòng ñiện có thể tăng
lên rất lớn. Giống như ở ñoạn ñặc tính ngược của diode, lúc này nếu có giảm ñiện
áp U
AK
xuống dưới mức U
ng.max
thì dòng ñiện cũng không giảm ñược về mức dòng
rò. Thyristor ñã bị hỏng.
Khi tăng ñiện áp Anode-Cathode theo chiều thuận, U
AK
> 0, lúc ñầu cũng chỉ
có một dòng ñiện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. ðiện trở tương ñương mạch
Anode-Cathode vẫn có giá trị rất lớn. Khi ñó tiếp giáp J
1
, J
3
phân cực thuận, J
2

phân
cực ngược. Cho ñến khi U
AK
tăng ñạt ñến giá trị ñiện áp thuận lớn nhất U
th.max
, sẽ
Hình 1.1. Thyristor
Cấu trúc bán dẫn; Ký hiệu; Hình ảnh thực tế
n
p
n
-
p
GK
A
K
J
3
J
1
J
2
n
V
A
K
G
a)
b)

7
xảy ra hiện tượng ñiện trở tương ñương mạch Anode-Cathode ñột ngột giảm, dòng
ñiện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi ñiện trở mạch ngoài. Nếu khi ñó dòng
qua Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì I
dt
, thì khi ñó
Thyristor sẽ dẫn dòng trên ñường ñặc tính thuận. ðoạn ñặc tính thuận ñược ñặc
trưng bởi tính chất dẫn dòng và phụ thuộc vào giá trị của phụ tải nhưng ñiện áp rơi
trên Anode-Cathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng ñiện.
b) Trường hợp có dòng ñiện vào cực ñiều khiển (I
G
> 0)
Nếu có dòng ñiều khiển ñưa vào giữa cực ñiều khiển (G) và Cathode, quá trình
chuyển ñiểm làm việc trên ñường ñặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, có U
th
< U
th.max
.
ðiều này ñược mô tả trên hình 1.2 bằng những ñường nét ñứt, ứng với giá trị dòng
ñiều khiển khác nhau I
G1
, I
G2
, I
G3
, Nói chung, nếu dòng ñiều khiển lớn hơn thì
ñiểm chuyển ñặc tính làm việc sẽ xảy ra với U
AK
nhỏ hơn.
Trong thực tế ñối với mỗi loại Thyristor sẽ ñược chế tạo bởi một dòng ñiều

khiển ñịnh mức I
ñk ñm
.
I.1.2 Mở - khoá Thyristor
Thyristor chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ Anode ñến Cathode,
và không ñược chạy theo chiều ngược lại. ðiều kiện ñể Thyristor có thể dẫn dòng,
ngoài ñiều kiện phải có ñiện áp U
AK
> 0 còn phải thỏa mãn ñiều kiện là ñiện áp ñiều
khiển dương. Do ñó Thyristor ñược coi là phần tử bán dẫn có ñiều khiển.
a) Mở Thyristor
Khi ñược phân cực thuận, U
AK
> 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ
nhất, có thể tăng ñiện áp Anode-Cathode cho ñến khi ñạt ñến giá trị ñiện áp thuận
lớn nhất, U
th.max
, ñiện trở tương ñương trong mạch Anode-Cathode sẽ giảm ñột ngột
và dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác ñịnh. Phương pháp này trên
thực tế không ñược áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn.
Phương pháp thứ hai, phương pháp ñược áp dụng thực tế, là ñưa một xung
dòng ñiện có giá trị nhất ñịnh vào giữa cực ñiều khiển và Cathode. Xung dòng ñiện
ñiều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở
mức ñiện áp Anode-Cathode nhỏ. Khi ñó nếu dòng qua Anode-Cathode lớn hơn
một giá trị nhất ñịnh, gọi là dòng duy trì (I
dt
) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng
thái mở dẫn dòng mà không cần ñến sự tồn tại của xung dòng ñiểu khiển. ðiều này
nghĩa là có thể ñiều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có ñộ rộng xung
nhất ñịnh, do ñó công suất của mạch ñiều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất

của mạch lực mà Thyristor là một phần tử ñóng cắt, khống chế dòng ñiện.
b) Khoá Thyristor
Một Thyristor ñang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (ñiện trở tương ñương
mạch Anode-Cathode tăng cao) nếu dòng ñiện giảm về không. Tuy nhiên ñể

8
Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi ñiện áp Anode-Cathode lại
dương (
0
AK
U
>
), cần phải có một thời gian nhất ñịnh ñể các lớp tiếp giáp phục hồi
hoàn toàn tính chất cản trở dòng ñiện của Thyristor.
Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hai lớp tiếp giáp J
1
, J
3
phân cực
thuận, các ñiện tích ñi qua hai lớp này dễ dàng và lấp ñầy tiếp giáp J
2
ñang bị phân
cực ngược. Vì vậy mà dòng ñiện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J
1
, J
2
, J
3
. ðể khóa
Thyristor lại cần giảm dòng Anode-Cathode về không bằng cách hoặc là ñổi chiều

dòng ñiện hoặc áp một ñiện áp ngược lên giữa Anode và Cathode của Thyristor.
Sau khi dòng về bằng không phải ñặt một ñiện áp ngược lên Anode-Cathode
(
0
AK
U
<
) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian khóa (ký hiệu là:
r
t
),
lúc này Thyristor sẽ khóa. Trong thời gian phục hồi có một dòng ñiện ngược chạy
giữa Cathode và Anode. Dòng ñiện ngược này di chuyển các ñiện tích ra khỏi tiếp
giáp J
2
và nạp ñiện cho tụ ñiện tương ñương của hai tiếp giáp J
1
, J
3
ñược phục hồi.
Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng ñiện tích cần ñược di chuyển ra ngoài cấu
trúc bán dẫn của Thyristor và nạp ñiện cho tiếp giáp J
1
, J
3
ñến ñiện áp ngược tại thời
ñiểm ñó.
Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor.
Thời gian phục hồi xác ñịnh dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian phục hồi
r

t

có giá trị cỡ 5 ÷ 10µs ñối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50 ÷ 200µs ñối với các
Thyristor tần số thấp.
I.1.3 Các yêu cầu ñối với tín hiệu ñiều khiển Thyristor
Quan hệ giữa ñiện áp trên
cực ñiều khiển và Cathode với
dòng ñi vào cực ñiều khiển xác
ñịnh các yêu cầu ñối với tín hiệu
ñiều khiển Thyristor. Với cùng
một loại Thyristor nhà sản xuất sẽ
cung cấp một họ ñặc tính ñiều
khiển (ví dụ như hình 1.3) trên ñó
có thể thấy ñược các ñặc tính giới
hạn về ñiện áp và dòng ñiện nhỏ
nhất ứng với một nhiệt ñộ môi
trường nhất ñịnh mà tín hiệu ñiều khiển phải ñảm bảo ñể chắc chắn mở ñược một
Thyristor. Dòng ñiều khiển ñi qua tiếp giáp p-n giữa cực ñiều khiển và Cathode
cũng làm phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu ñiều khiển cũng phải bị hạn chế
về công suất. Công suất giới hạn của tín hiệu ñiều khiển phụ thuộc vào ñộ rộng của
Hình 1.3. Yêu cầu ñối với xung
ñiểu khiển của Thyristor
Giới hạn dòng nhỏ nhất
Giới hạn công suất xung
Vùng mở
chắc chắn
0,01ms
0,1ms
Giới hạn ñiện áp nhỏ nhất
G 0

0
0
C
-10
0
C
U
GK


9
xung ñiều khiển. Tín hiệu ñiều khiển là một xung có ñộ rộng càng ngắn thì công
suất cho phép có thể càng lớn.
Sơ ñồ tiêu biểu của một mạch khuếch ñại xung ñiều khiển Thyristor ñược cho
trên hình 1.4. Khóa Transistor T ñược ñiều khiển bởi một xung có ñộ rộng nhất
ñịnh, ñóng cắt ñiện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung ñiều khiển ñưa ñến cực ñiều
khiển của Thyristor ở phía bên cuộn thứ cấp. Như vậy mạch lực ñược cách ly hoàn
toàn với mạch ñiều khiển bởi biến áp xung. ðiện trở R hạn chế dòng qua Transistor
và xác ñịnh nội trở của nguồn tín
hiệu ñiều khiển. Diode D
1
ngắn
mạch cuộn sơ cấp biến áp xung
khi Transistor T khóa lại ñể
chống quá áp trên T. Diode D
2

ngăn xung âm vào cực ñiều
khiển. Diode D
3

mắc song song
với cực ñiều khiển và có thể
song song với tụ C có tác dụng
giảm quá áp trên tiếp giáp G-K
khi Thyristor bị phân cực ngược.
I.1.4 Các thông số cơ bản của Thyristor
Các thông số cơ bản là các thông số dựa vào ñó ta có thể lựa chọn một
Thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào ñó.
1/- Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor, I
v

ðây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với ñiều kiện nhiệt
ñộ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép.
Trong thực tế dòng ñiện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các ñiều
kiện làm mát và nhiệt ñộ môi trường. Thyristor có thể ñược gắn lên các bộ tản nhiệt
tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra, Thyristor có thể phải ñược làm mát cưỡng
bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước ñể tải nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Vấn ñề làm
mát van bán dẫn sẽ ñược ñề cập ñến ở phần sau, ta có thể lựa chọn dòng ñiện theo
các phương án sau:
 Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép ñến một phần ba dòng I
v
.
 Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng hai phần ba dòng I
v
.
 Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng I
v
.
2/- ðiện áp ngược cho phép lớn nhất, U
ng.max

ðây là giá trị ñiện áp ngược lớn nhất cho phép ñặt lên Thyristor. Tại bất kỳ
thời ñiểm nào ñiện áp giữa Anode-Cathode
AK
U
luôn nhỏ hơn. ðể ñảm bảo một ñộ
Hình 1.4. Sơ ñồ tiêu biểu mạch khuếch ñ
ại
xung ñiều khiển tiristo
* *

BAX

G
K
D
3

u
ñkT

D
1

D
2

R
B

Tr
2

C

W
1

W
2

+U
n

on
off

10
dự trữ nhất ñịnh về ñiện áp, nghĩa là phải ñược chọn ít nhất là bằng 1,2 ñến 1,5 lần
giá trị biên ñộ lớn nhất của ñiện áp trên sơ ñồ ñó.
3/- Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor, t
r
(
µ
s)
ðây là thời gian tối thiểu phải ñặt ñiện áp âm lên giữa Anode-Cathode của
Thyristor sau khi dòng Anode-Cathode ñã về bằng không trước khi lại có thể có
ñiện áp dương mà Thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi t
r
là một thông số rất

quan trọng của Thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu ñộc lập, trong ñó phải
luôn ñảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 ñến 2 lần t
r
.
4/- Tốc ñộ tăng ñiện áp cho phép,
dU
dt
(V/
µ
s)
Thyristor ñược sử dụng như một phần tử có ñiều khiển, tức Thyristro ñược
phân cực thuận (U
AK
> 0) và có tín hiệu ñiều khiển thì nó mới cho phép dòng ñiện
chạy qua. Nhưng khi Thyristor ñược phân cực thuận chưa có U
ñk
thì phần lớn
ñiện áp rơi trên lớp tiếp giáp J
2
như ñược chỉ ra trên hình 1.5.
Lớp tiếp giáp J
2
bị phân cực ngược
nên ñộ dày của nó nở ra, tạo ra vùng
không gian nghèo ñiện tích, cản trở dòng
ñiện chạy qua. Vùng không gian này có
thể coi như một tụ ñiện có ñiện dung
2
J
C

.
Khi có ñiện áp biến thiên với tốc ñộ lớn,
dòng ñiện của tụ ñiện có giá trị ñáng kể,
ñóng vai trò như dòng ñiều khiển. Kết
quả là Thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu ñiều khiển vào cực ñiều khiển G.
Tốc ñộ tăng ñiện áp là một thông số ñể phân biệt giữa Thyristor tần số thấp
với các Thyristor tần số cao. Ở Thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 ñến 200
v/µs; với các Thyristor tần số cao dU/dt có thể ñạt 500 ñến 2000 V/µs.
5/- Tốc ñộ tăng dòng cho phép,
dI
dt
(A.
µ
s)
Khi Thyristor bắt ñầu mở, không phải mọi ñiểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn
của nó ñều dẫn dòng ñồng ñều. Dòng ñiện sẽ chạy qua bắt ñầu ở một số ñiểm, gần
với cực ñiều khiển nhất, sau ñó sẽ lan toả dần sang các ñiểm khác trên toàn bộ tiết
diện. Nếu tốc ñộ tăng dòng quá lớn có thể dẫn ñến mật ñộ dòng ñiện ở các ñiểm dẫn
ban ñầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn ñến hỏng cục bộ, từ
ñó dẫn ñến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.
Tốc ñộ tăng dòng cũng phân biệt Thyristor tần số thấp, có dI/dt cỡ 50 ÷ 100
A/µs, với các Thyristor tần số cao với dI/dt cỡ 500 ÷ 2000 A/µs. Trong các ứng
n
p
n
-
p
GK
A
K

C
J2
J
3
J
1
J
2
i=C
J2
(du/dt)
n
Hình 1.5. Hiệu ứng dU/dt tác dụng như
dòng ñiều khiển

11
dụng phải luôn ñảm bảo tốc ñộ tăng dòng dưới mức cho phép. ðiều này ñạt ñược
nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng. Cuộn kháng có thể lõi không
khí hoặc lõi ferit. Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn ñể tạo các ñiện
kháng giá trị khác nhau tuỳ theo số lượng xuyến sử dụng. Xuyến ferit tạo nên các
ñiện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hòa. Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ, ñiện
kháng sẽ có giá trị lớn ñể hạn chế tốc ñộ tăng dòng; khi dòng ñiện lớn, cuộn kháng
bị bão hòa, ñiện cảm giảm gần như bằng không. Như vậy, cuộn kháng kiểu này
không gây sụt áp trong chế ñộ dòng ñịnh mức qua thanh dẫn.
I.2 TRIAC

Triac là phần tử bán dẫn có cấu
trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên
cấu trúc p-n-p-n như ở Thyristor theo
cả hai chiều giữa các cực T

1
và T
2

như ñược thể hiện trên hình 1.16a.
Triac có ký hiệu trên sơ ñồ như trên
hình 1.6b, có thể dẫn dòng theo cả
hai chiều T
1
và T
2
. Về nguyên tắc,
Triac hoàn toàn có thể coi là tương
ñương với hai Thyristor ñấu song
song ngược như trên hình 1.6c.
ðặc tính vôn-ampe của Triac
bao gồm hai ñoạn ñặc tính ở góc
phần tư thứ I và thứ III, mỗi ñoạn
ñều giống như ñặc tính thuận của
một Thyristor như ñược biểu diễn
trên hình 1.7a.
Triac có thể ñiều khiển mở dẫn
dòng bằng cả xung dòng dương (dòng ñi vào cực ñiều khiển) hoặc bằng xung dòng
âm (dòng ñi ra khỏi cực ñiều khiển). Tuy nhiên xung dòng ñiều khiển âm có ñộ
nhạy kém hơn. Nguyên lý thực hiện ñiều khiển bằng xung dòng ñiều khiển âm ñược
biểu diễn trên hình 1.7b.
Triac ñặc biệt hữu ích trong các ứng dụng ñiều chỉnh ñiện áp xoay chiều
hoặc các công-tắc-tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ.
Hình 1.7. Triac: a) ðặc tính vôn-ampe
b) ðiều khiển triac bằng dòng ñiều khiển âm

u
I
v
i(A)
(a)
I
dt
U
th,max
U
v,th
0
T
2
G
T
1
b)
-
+
R
Hình 1.6. Triac: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu;

c) Sơ ñồ tương ñương với hai
Thyristor song song
ng
ư
ợc

G

n
nn
p
n
p
T
2
T
1
c)
T
2
G
T
1
b)a)

12
I.3 THYRISTOR KHÓA ðƯỢC Ở CỰC ðIỀU KHIỂN, GTO.
(G
ate Turn - Off Thyristor)
Thyristor thường, như ñược giới thiệu ở mục I.1, ñược sử dụng rộng rãi trong
các sơ ñồ chỉnh lưu, từ công suất nhỏ vài KW ñến công suất cực lớn, khoảng vài trăm
MW. ðó là vì trong các sơ ñồ chỉnh lưu, Thyristor có thể khóa một cách tự nhiên
dưới tác dụng của ñiện áp lưới, ñiện áp chỉnh lưu có thể ñiều chỉnh bằng cách chủ
ñộng thay ñổi thời ñiểm mở của các Thyristor. Tuy nhiên, với các ứng dụng trong các
bộ biến ñổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, trong ñó các van bán dẫn luôn
bị ñặt dưới ñiện áp một chiều thì ñiều kiện ñể khóa tự nhiên sẽ không còn nữa. Khi ñó
việc dùng các Thyristor thường sẽ cần ñến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất
phức tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến ñổi.

Vào những năm 80 của thế kỷ trước, chuyển mạch của Thyristor là vấn ñề
ñược rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm giải quyết. Tuy nhiên, ngày nay các van
bán dẫn ñiều khiển hoàn toàn với công nghệ hoàn chỉnh ñã ñược sản xuất hàng loạt
làm nhiệm vụ của các nhà nghiên cứu nhẹ ñi rất nhiều.
Các GTO, như tên gọi của nó, nghĩa là khóa lại ñược bằng cực ñiều khiển, có
khả năng ñóng cắt các dòng ñiện rất lớn, chịu ñược ñiện áp cao giống như Thyristor,
là một van ñiều khiển hoàn toàn, có thể chủ ñộng cả thời ñiểm khóa dưới tác ñộng
của tín hiệu ñiều khiển. Việc ứng
dụng các GTO ñã phát huy ưu ñiểm cơ
bản của các phần tử bán dẫn, ñó là khả
năng ñóng cắt dòng ñiện lớn nhưng lại
ñược ñiều khiển bởi các tín hiệu ñiện
công suất nhỏ.
Cấu trúc bán dẫn của GTO phức
tạp hơn so với Thyristor như ñược chỉ
ra trên hình 1.8. Ký hiệu của GTO
cũng chỉ ra tính chất ñiều khiển hoàn
toàn của nó. ðó là dòng ñiện ñi vào cực ñiều khiển ñể mở GTO, còn dòng ñi ra khỏi
cực ñiều khiển dùng ñể di chuyển các ñiện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, ñể
khóa GTO lại.
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, Anode ñược bổ sung các lớp n+. Dấu
“+” ở bên cạnh chỉ ra rằng mật ñộ các ñiện tích tương ứng, các lỗ hoặc ñiện tử,
ñược làm giàu thêm với mục ñích làm giảm ñiện trở khi dẫn của các vùng này.
Cực ñiều khiển vẫn ñược nối vào lớp p thứ ba nhưng ñược chia nhỏ ra và phân bố
ñều so với lớp n
+
của Cathode.
n
+
n

+
n
+
n
p
p
+
n
+
p
+
n
+
p
+
n
+
p
+
G (Gate)
K (Cathode)
A (Anode)
V
A
K
G
J
1
J
2

J
3
a)
b)
Hình 1.8. GTO:
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

13
Khi chưa có dòng ñiểu khiển, nếu Anode có ñiện áp dương hơn so với
Cathode thì toàn bộ ñiện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J
2
ở giữa, giống như trong cấu trúc
của Thyristor. Tuy nhiên nếu Cathode có ñiện áp dương hơn so với Anode thì tiếp
giáp p
+
-n ở sát Anode sẽ bị ñánh thủng ngay ở ñiện áp rất thấp, nghĩa là GTO không
thể chịu ñược ñiện áp ngược.
GTO ñược ñiều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực ñiều khiển, giống như
ở Thyristor thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở
GTO cao hơn ở Thyristor thường. Do ñó, dòng ñiều khiển phải có biên ñộ lớn hơn và
duy trì trong thời gian dài hơn ñể dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì.
Giống như ở Thyristor thường, sau khi GTO ñã dẫn thì dòng ñiều khiển không còn
tác dụng. Như vậy, có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không ñáng kể.
ðể khoá GTO, một xung dòng phải ñược lấy ra từ cực ñiều khiển. Khi van
ñang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các ñiện tích sinh ra do tác dụng
của hiệu ứng bắn phá "vũ bão" tạo nên vùng dẫn ñiện, cho phép các ñiện tử di
chuyển từ Cathode, vùng n
+
ñến Anode, vùng p
+

, tạo nên dòng Anode. Bằng cách
lấy ñi một số lượng lớn các ñiện tích qua cực ñiêu khiển, vùng dẫn ñiện sẽ bị co hẹp
và bị ép về phía vùng n
+
của Anode và vùng n
+
của Cathode. Kết quả là dòng
Anode sẽ bị giảm cho ñến khi bằng 0.
Dòng ñiều khiển ñược duy trì một thời
gian ngắn ñể GTO phục hồi tính chất
khóa.
Yêu cầu về xung ñiều khiển và
nguyên tắc thực hiện ñược thể hiện
trên hình 1.9. Hình 1.9a thể hiện xung
dòng khoá GTO phải có biên ñộ rất
lớn, vào khoảng 20 ÷ 25% biên ñộ
dòng Anode-Cathode. Một yêu cầu
quan trọng nữa là xung dòng ñiều khiển
phải có ñộ dốc sườn xung rất lớn, sau
khoảng 0,5 ÷1µs. ðiều này giải thích
tại sao nguyên lý thực hiện tạo xung
dòng khoá là nối mạch cực ñiều khiển
vào một nguồn dòng. Về nguyên tắc,
nguồn dòng có nội trở bằng không và
có thể cung cấp một dòng ñiện vô cùng
lớn.

Hình 1.10. Mạch ñiều khiển GTO
15V
0V

T
1
T
2
R
1
+15V
D
Z
12V
C
1
G
A
K
V
V
A
G
K
Më
Khãa
I
G’max
I
G
t
a)
b)
Hình 1.9. Nguyên lý ñiều khiển GTO:

a) Yêu cầu dạng xung ñiều khiển;
b) Nguyên lý thực hiện

14
Sơ ñồ ñơn giản trên hình 1.10 mô tả việc thực hiện nguyên lý ñiều khiển trên.
Mạch ñiện dùng hai khoá Transistor T
1
, T
2
. Khi tín hiệu ñiều khiển là 15V, T
1
mở,
dòng chạy từ nguồn 15V qua ñiện trở hạn chế R
1
nạp ñiện cho tụ C
l
tạo nên dòng
chạy vào cực ñiều khiển của GTO. Khi tụ C
1
nạp ñầy ñến ñiện áp của diode ổn áp
D
z
(12V), dòng ñiều khiển kết thúc. Khi tín hiệu ñiều khiển ñưa vào cực gốc T
1
, T
2
.
T
2
sẽ mở do có ñiện áp trên tụ C

1
, tụ C
1
bị ngắn mạch qua cực ñiều khiển và
Cathode, Transistor T
2
tạo nên dòng ñi ra khỏi cực ñiều khiển, khoá GTO lại. Diode
D
z
ngăn không cho tụ C, nạp ngược lại.
Ở ñây vai trò của nguồn áp chính là tụ C
l
, do ñó tụ C
l
Phải chọn là loại có chất
lượng rất cao. Transistor T
2
phải chọn là loại chịu ñược xung dòng có biên ñộ lớn
chạy qua.
I.4 TRANSISTOR CÔNG SUẤT, BJT (Bipolar Junction Transistor)
Transistor là phần tử bán dẫn có cấu
trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p
(bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược),
tạo nên hai tiếp giáp p-n. Cấu trúc này
thường ñược gọi là Bipolar Junction
Transistor (BJT), vì dòng ñiện chạy trong
cấu trúc này bao gồm cả hai loại ñiện tích
âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực
tính). Transistor có ba cực: Base (B),
Collector (C) và Emitter (E). BJT công

suất thường là loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ ñồ của một
BJT công suất ñược biểu diễn trên hình 1.11, trong ñó lớp bán dẫn n xác ñịnh ñiện
áp ñánh thủng của tiếp giáp B-C và do ñó của C-E.
Trong chế ñộ tuyến tính, hay còn gọi là chế ñộ khuếch ñại, Transistor là phần
tử khuếch ñại dòng ñiện với dòng Collector I
c
bằng β lần dòng Base (dòng ñiều
khiển), trong ñó β là hệ số khuếch ñại dòng ñiện.
I
c
= β.I
B

Tuy nhiên, trong ñiện tử công suất Transistor chỉ ñược sử dụng như một phần
tử khoá. Khi mở dòng ñiều khiển phải thỏa mãn ñiều kiện:
C
B
I
I
β
>
hay
C
B bh
I
I k
β
=

Trong ñó k

bh
= 1,2 ÷ 1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi ñó Transistor sẽ ở trong chế
ñộ bão hòa với ñiện áp giữa Collector và Emitter rất nhỏ, cỡ 1 ÷ 1,5V, gọi là ñiện áp
bão hòa,
.
CE bh
U
.
n nn p
n
-
n
E (Emitter)
(Base)
C
a)
b)
C
E
B
B
Hình 1.11. BJT:
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

15
Khi khoá, dòng ñiều khiển I
B
bằng không, lúc ñó dòng Collector gần bằng
không, ñiện áp
CE

U
sẽ lớn ñến giá trị ñiện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp
với Transistor.
Tổn hao công suất trên Transistor bằng tích của dòng ñiện Collector với ñiện
áp rơi trên Collector-Emitter, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế ñộ khoá.
Trong cấu trúc bán dẫn của BJT, ở chế ñộ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và B-C
ñều bị phân cực ngược. ðiện áp ñặt giữa Collector-Emitter sẽ rơi chủ yếu trên vùng
trở kháng cao của tiếp giáp
p n
−
−
. ðộ dày và mật ñộ ñiện tích của lớp
n
−
xác ñịnh
khả năng chịu ñiện áp của cấu trúc BJT. Transistor ở trong chế ñộ tuyến tính nếu
tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược. Trong chế ñộ tuyến
tính, số ñiện tích dương ñưa vào từ cực Base sẽ kích thích các ñiện tử từ tiếp giáp
B-C thâm nhập vào vùng Base, tại ñây chúng ñược trung hòa hết. Kết quả là tốc ñộ
trung hòa quyết ñịnh dòng Collector tỷ lệ với dòng Base,
c B
I I
β
=
. Transistor ở
trong chế ñộ bão hòa nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C ñều ñược phân cực thuận. Các
ñiện tử sẽ thâm nhập vào ñầy vùng Base, vùng p, từ cả hai tiếp giáp B-E và B-C, và
nếu các ñiện tích dương ñược ñưa vào từ cực Base có số lượng dư thừa thì các ñiện
tích sẽ không bị trung hòa hết, kết quả là vùng Base sẽ trở nên vùng có ñiện trở nhỏ,
dòng ñiện có thể chạy qua. Cũng do tốc ñộ trung hòa ñiện tích không kịp nên

Transistor không còn khả năng khống chế dòng ñiện ñược nữa và giá trị dòng ñiện
sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết ñịnh. ðó là chế ñộ mở bão hòa. Cơ chế tạo ra
dòng ñiện ở ñây là sự thâm nhập của các ñiện tích khác dấu vào vùng Base p, các
ñiện tử, vì vậy BJT còn gọi là cấu trúc với các hạt mang ñiện phi cơ bản, phân biệt
với cấu trúc MOSFET, là cấu trúc với các hạt mang ñiện cơ bản.

16
I.4.1 ðặc tính ñóng cắt của Transistor
Chế ñộ ñóng cắt của Transistor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các
tiếp giáp B-E và B-C,
BE
C
và
BC
C
. Ta phân tích quá trình ñóng cắt của một
Transistor qua sơ ñồ khoá trên hình 1.12a, trong ñó Transistor ñóng cắt một tải
thuần trở R
t
dưới ñiện áp
n
U
+
ñiều khiển bởi tín hiệu ñiện áp từ
2
B
U
−
ñến
1

B
U
+
và
ngược lại. Dạng sóng dòng ñiện, ñiện áp cho trên hình 1.12b.
a. Quá trình mở
Theo ñồ thị ở hình 1.12, trong khoảng thời gian (1), BJT ñang trong chế ñộ
khoá với ñiện áp ngược
2
B
U
−
ñặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt ñầu khi
tín hiệu ñiều khiển nhảy từ
2
B
U
−
lên mức
1
B
U
. Trong khoảng (2), tụ ñầu vào, giá trị
tương ñương bằng
in BE BC
C C C
= +
, nạp ñiện từ ñiện áp
2
B

U
−
ñến
1
B
U
. Khi
BE
U
còn
nhỏ hơn không, chưa có hiện tượng gì xảy ra ñối với
C
I
và
CE
U
. Tụ
in
C
chỉ nạp ñến
giá trị ngưỡng mở
*
U
của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 ÷ 0,7V, bằng ñiện áp rơi trên diode
theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc. Dòng ñiện và ñiện áp trên BJT chỉ bắt
ñầu thay ñổi khi
BE
U
giá trị không ở ñầu giai ñoạn (3). Khoảng thời gian (2) gọi là
thời gian trễ khi mở,

( )
d on
t
của BJT.
(1)
(2)
(3)
(4) (5) (6) (7) (8)
(9)
U
B1
U
B2
u
B
U
BE
(t)
U
B2
0,7V
u
CE
(t)
I
B1
(t)
I
B2
(t)

+U
n
i
B
(t)
i
C
(t)
I
C,bh
U
n
-I
C,bh
.R
t
t
t
t
t
t
(b)
C
B C
C
BE
R
t
+U
n

i
C
(t)
C
B
E
u
B
(t)
U
B1
U
B2
i
B
(t)
R
B
(a)
H×nh 1.12. Qu¸ tr×nh ®ãng
-
c¾t

mét BJT
a/- S¬ ®å
b/- D¹ng sãng dßng, ¸p

17
Trong khoảng (3), các ñiện tử xuất phát từ Emitter thâm nhập vào vùng Base,
vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng Collector. Các ñiện tử thoát ra khỏi

Collector càng làm tăng thêm các ñiện tử ñến từ Emitter. Quá trình tăng dòng
C
I
,
E
I
tiếp tục xảy ra cho ñến khi trong Base ñã tích lũy ñủ lượng ñiện tích dư thừa
B
Q
∆
mà tốc ñộ tự trung hòa của chúng ñảm bảo một dòng Base không ñổi:

1
1
*
B
B
B
U U
I
R
−
=

Tại ñiểm cộng dòng ñiện tại Base trên sơ ñồ hình I.12a, ta có:

1
. .
B C BE C BC B
I i i i

= + +

Trong ñó:
.
C BE
i
là dòng nạp của tụ C
BE
,
.
C BC
i
là dòng nạp của tụ C
BC
,
B
i
là dòng ñầu vào của Transistor,
C B
i i
β
=

Dòng Collector tăng dần theo quy luật hàm mũ, ñến giá trị cuối cùng là
1
C B
I ( ) = .I
β
∞
. Tuy nhiên chỉ ñến cuối giai ñoạn (3) thì dòng

C
I
ñã ñạt ñến giá trị bão
hòa,
C.bh
I
, BJT ra khỏi chế ñộ tuyến tính và ñiều kiện
C B
i i
β
=
không còn tác dụng
nữa. Trong chế ñộ bão hòa cả hai tiếp giáp B-E và B-C ñều ñược phân cực thuận.
Vì khoá làm việc với tải trở trên Collector nên ñiện áp trên Collector - Emitter
CE
V

cũng giảm theo cùng tốc ñộ với sự tăng của dòng
C
I
. Khoảng thời gian (3) phụ
thuộc vào ñộ lớn của dòng
1
B
I
, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn.
Trong khoảng (4), phần cuối của ñiện áp
CE
U
tiếp tục giảm ñến giá trị ñiện áp

bão hòa cuối cùng xác ñịnh bởi biểu thức:
. 1
.
CE n C bh
U U I R
= −

Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm ñiện trở của vùng
n
−
và phụ thuộc
cấu tạo của BJT; Trong giai ñoạn (5): BJT hoàn toàn làm việc trong chế ñộ bão hòa.
b. Quá trình khoá BJT
Trong thời gian BJT ở trong chế ñộ bão hòa, ñiện tích tích tụ không chỉ trong lớp
Base mà cả trong lớp Collector.
Khi ñiện áp ñiều khiển thay ñổi từ
1
B
U
xuống
2
B
U
−
ở ñầu giai ñoạn (6), ñiện
tích tích lũy trong các lớp bán dẫn không thể thay ñổi tức thời. Dòng
B
I
lúc này sẽ
có giá trị:

2
2
*
B
B
B
U U
I
R
−
=


18
Lúc ñầu các ñiện tích ñược di chuyển ra ngoài bằng dòng không ñổi
2
B
I
Giai
ñoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai ñoạn (6) khi mật ñộ ñiện tích trong tiếp giáp
Base-Collector giảm về bằng không và sau ñó tiếp giáp nay bắt ñầu bị phân cực
ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá,
( )
d off
t
.
Trong khoảng (7), dòng Collector
C
I
bắt ñầu giảm về bằng không, ñiện áp

CE
U
sẽ tăng dần tới giá trị
n
U
+
. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế ñộ tuyến
tính, trong ñó dòng I
C
tỷ lệ với dòng Base. Tụ
BC
C
bắt ñầu nạp tới giá trị ñiện áp
ngược, bằng
n
U
. Lưu ý rằng trong giai ñoạn này, tại vùng Base trên sơ ñồ hình
1.12a, ta có:
2
.
B C BC B
I I i
= −

Trong ñó:
.
C BC
I
là dòng nạp của tụ
BC

C
;
B
i
là dòng ñầu vào của Transistor. Từ
ñó có thể thấy quy luật
.
C B
I i
β
=
vẫn ñược thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn ñược phân
cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. ðến cuối khoảng (7) Transistor mới
khoá lại hoàn toàn.
Trong khoảng (8), tụ Base-Emitter tiếp tục nạp tới ñiện áp ngược
2
B
U
−

Transistor ở chế ñộ khoá hoàn toàn trong khoảng (9).
c. Dạng tối ưu của dòng ñiều khiển khoá Transistor
Transistor có thể khoá lại bằng cách cho ñiện áp ñặt giữa Base-Emitter bằng không,
tuy nhiên có thể thấy rằng khi ñó thời gian khoá sẽ bị kéo dài ñáng kể. Khi dòng
2
0
B
I
=
, toàn bộ ñiện tích tích lũy trong cấu trúc bán dẫn của Transistor sẽ suy giảm

dần dần tới khi Transitor có thời gian khóa.
Có thể rút ngắn thời gian mở, khoá
Transistor bằng cách cưỡng bức quá trình di
chuyển ñiện tích nhờ dạng dòng ñiện ñiều khiển
như biểu diễn trên hình 1.13. Ở thời ñiểm mở,
dòng
1
B
I
có giá trị lớn hơn nhiều so với giá trị
cần thiết ñể bão hòa BJT trong chế ñộ dẫn,
( )
.
bh C
B on
I k I
=
. Như vậy thời gian trễ khi mở
( )
B on
I

và thời gian mở
( )
r on
t

(khoảng (3) trên ñồ thị hình 1.12b) sẽ ñược rút ngắn.
Dòng khoá
2

B
I
cũng cần có biên ñộ lớn ñể rút ngắn thời gian trễ khi khoá
( )
d off
t
và thời gian khoá
( )
r off
t
(khoảng (7) trên ñồ thị hình 1.12b).
Tuy nhiên, dòng
B
I
cũng làm nóng các tiếp giáp trong BJT, vì vậy giá trị biên
ñộ của chúng cũng phải ñược hạn chế phù hợp theo các giá trị giới hạn cho trong
các ñặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất.
Hình 1.13. Dạng dòng ñiện ñiều
khiển lý tưởng cho một khóa BJT


i
B
(t)
I
B1
K
bh
.I
C

t

19
I.4.2 c tớnh tnh ca BJT v cỏch mc s ủ Darlington
c tớnh tnh ca mt BJT cho trờn hỡnh
l.14a v b. c tớnh trờn hỡnh 1.14a biu din
mi quan h gia dũng Collector v dũng
Base
(
)
,
C B
I I
, ti cỏc ủin ỏp U
CE
khỏc nhau
vi vựng lm vic tuyn tớnh, v vựng bóo
ho. Vi mt dũng lm vic I
C
no ủú, ủ cú
ủc ủin ỏp ri trờn BJT nh thỡ dũng I
B
phi
tng ủi ln. nghiờng ca ủng ủc tớnh
ủiu khin = I
C
/I
B
th hin h s khuch
ủi dũng ủin. Cú th thy rng h s khuch

ủi dũng ủin ca BJT cụng sut tng ủi
thp, thụng thng 10, ủiu ny ngha l
BJT yờu cu dũng ủiu khin tng ủi ln.
H s khuch ủi dũng ủin gim mnh khi
dũng lm vic ln hn. Cú th gim ủc
dũng ủiu khin nh cỏch mc Darlington.
c tớnh ra, th hin trờn hỡnh 1.14b, l
mi quan h gia dũng Collector v ủin ỏp Collector, U
CE
vi I
B
l cú ba giỏ tr
ủin ỏp ủỏnh thng U
CE0
, U
CB0
, U
SUS
. Cỏc giỏ tr ủin ỏp ny ủc cho trong cỏc ủc
tớnh k thut ca nh sn xut. U
CB0
l ủin ỏp ủỏnh thng tip giỏp Base-Collector
khi h mch Emitter. U
CB0
l ủin ỏp ủỏnh thng Collector - Emitter khi dũng ủiu
khin bng khụng. Cú th thy U
CE0
cú giỏ tr ln hn
ủin ỏp ủỏnh thng Collector-Emitter khi dũng ủiu
khin ln hn khụng, U

SUS
. Vỡ vy ủ tng kh nng
chu ủin ỏp ca phn t khi khoỏ phi ủm bo rng
dũng ủiu khin I
B
bng khụng. Núi chung ủin ỏp lm
vic phi nh hn U
SUS
.
* Cỏch mc s ủ Darlington :
Núi chung cỏc BJT cú h s khuch ủi dũng ủin
tng ủi thp, dn ủn dũng ủiu khin yờu cu quỏ
ln. S ủ mc Darlington l cỏch ni hai Transistor
Q
1
, Q
2
vi h s khuch ủi dũng tng ng
l
,
2
nh ủc biu din trờn hỡnh
1.15, cú h s khuch ủi dũng chung bng: =
l
.
2
. tng h s khuch ủi
dũng hn na cú th mc Darlington t ba Transistor. Ngi ta sn xut cỏc
Transistor Darlington trong cựng mt v, trong ủú tớch hp diode D
1

dựng ủ cng
bc quỏ trỡnh khoỏ Q
2
.
Tuy nhiờn cỏch ni Darlington lm cho ủin ỏp ri trờn Collector-Emitter ca
Transistor hp thnh ln hn so vi trng hp ch dựng mt Transistor, ngha l
Hỡnh 1.15. Tranzito m
c
Darlington

C
E
B
1
B
2
Q
2
Q1
D1
I
C
Chiều tăng I
B
I
B
=0
Hở Emitter
U
CE

U
CEO
U
CBO
U
SUS
Hỡnh 1.14. c tớnh tnh ca BJT
a) c tớnh ủiu khin; b) c tớnh ra
5

U

CE

=

200

V
5

10

U

CE

=20

V

U

CE

=5

V

U

CE

=

0

,

5

V
U

CE

=

0

,2

V

I

B
(

A)

Vùng bão hòa

B

C

I

I





=


10

I
C

(

A)

0

Vùng tuyến tính

C

I



B

I




20
tổn thất trên phần tử khi dẫn dòng cũng lớn hơn. ðiều này có thể ñược chứng tỏ qua
sơ ñồ ở hình 1.15 vì ñiện áp giữa Collector-Emitter của mạch Darlington bằng:
U
CE
= U

CE.Q1
+ U
BE.
Q2. Trong ñó U
BE.Q2
có giá trị không ñổi khi Transistor dẫn dòng.
I.5 TRANSISTOR TRƯỜNG, MOSFET
(Metal-Oxlde-Semiconductor Field-Effect Transistor)
I.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của MOSFET
Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có
cấu trúc bán dẫn cho phép ñiều khiển bằng
ñiện áp với dòng ñiện ñiều khiển cực nhỏ.
Hình 1.16 a và b thể hiện cấu trúc bán dẫn
và ký hiệu của một MOSFET kênh dẫn
kiểu n. Trong ñó (G - Gate) là cực ñiều
khiển ñược cách ly hoàn toàn với cấu trúc
bán dẫn còn lại bởi lớp ñiện môi cực
mỏng nhưng có ñộ cách ñiện cực lớn
ñioxil-silic (SiO
2
). Hai cực còn lại là cực
gốc (S - Source) và cực máng (D - Drain). Cực máng là cực ñón các hạt mang ñiện.
Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang ñiện sẽ là các ñiện tử (electron), do ñó cực tính
ñiện áp của cực máng sẽ là dương so với cực
gốc. Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa
D và S ñể chỉ ra rằng trong ñiều kiện bình
thường không có một kênh dẫn thực sự nối giữa
D và S. Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn
kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ
có kiểu dẫn ñiện ngược lại. Tuy nhiên ña số các

MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n.
Trên Hình 1.17 mô tả sự tạo thành kênh
dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Trong
chế ñộ làm việc bình thường u
DS
> 0. Giả sử
ñiện áp giữa cực ñiều khiển và cực gốc bằng
không, u
DS
= 0, khi ñó kênh dẫn sẽ hoàn toàn
không xuất hiện. Giữa cực gốc và cực máng sẽ là
tiếp giáp p-n
-
phân cực ngược. ðiện áp u
DS
sẽ
hoàn toàn rơi trên vùng nghèo ñiện tích của tiếp
giáp này (hình 1.17a).
Nếu ñiện áp ñiều khiển âm, U
GS
< 0, thì
vùng bề mặt giáp cực ñiều khiển sẽ tích tụ các lỗ (p), do ñó dòng ñiện giữa cực gốc
p
n
nnn
p
n
-
Cùc gèc
(S Source)

Cùc ®iÒu khiÓn
(G Gate)
n
Cùc m¸ng
(D Drain)
S
D
G
a) b)
Hình 1.16. MOSFET (kênh dẫn n)
a/- Cấu trúc bán dẫn; b/-Ký hiệu
Hình 1.17. S
ự tạo thành kênh d
ẫn
trong cấu trúc MOSTET
p
n
nnn
p
Vïng nghÌo ®iÖn tÝch
n
-
n
p
nnn
p
n
-
n
Kªnh dÉn

p
n
nnn
p
n
-
n
Diode trong
a)
n
b)
c)

21
và cực máng sẽ không thể xuất hiện. Khi ñiện áp ñiều khiển là dương, U
GS
> 0 và
ñủ lớn bề mặt tiếp giáp cực ñiều khiển sẽ tích tụ các ñiện tử, và một kênh dẫn thực
sự ñã hình thành (hình 1.17b). Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các
phần tử mang ñiện là các ñiện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên
MOSFET ñược gọi là phần tử với các hạt mang ñiện cơ bản, khác với các cấu trúc
của BJT, IGBT, Thyristor là các phần tử với các hạt mang ñiện phi cơ bản. Dòng
ñiện giữa cực gốc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào ñiện áp U
DS
.
Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.17c), có thể thấy rằng giữa cực
máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n
-
tương ñương với một diode ngược nối
giữa D và S. Trong các sơ ñồ bộ biến ñổi, ñể trao ñổi năng lượng giữa tải và nguồn

thường cần có các diode ngược mắc
song song với các van bán dẫn. Như vậy
ưu ñiểm của MOSFET là ñã có sẵn một
diode nội tại như vậy.
Trên Hình 1.18 thể hiện ñặc tính
tĩnh của một khoá MOSFET. Khi ñiện
áp ñiều khiển U
GS
nhỏ hơn một ngưỡng
nào ñó, cỡ 3V, MOSFET ở trạng thái
khoá với ñiện trở rất lớn giữa cực máng
D và cực gốc S. Khi U
GS
cỡ 5 - 7V,
MOSFET sẽ ở trong chế ñộ dẫn. Thông
thường ñiều khiển MOSFET bằng ñiện áp ñiều khiển cỡ 15V ñể làm giảm ñiện áp
rơi trên D và S. Khi ñó U
DS
sẽ gần như tỷ lệ với dòng I
D
.
ðặc tính tĩnh của MOSFET có thể ñược tuyến tính hoá chỉ bao gồm hai ñoạn
thể hiện hai chế ñộ khoá và dẫn dòng như ñược thể hiện trên cùng hình 1.18. Theo
ñặc tính này dòng qua MOSFET chỉ xuất hiện khi ñiện áp ñiều khiển vượt qua một
giá trị ngưỡng U
GS(th)
. Khi ñó ñộ nghiêng của ñường ñặc tính khi dẫn dòng ñặc
trưng bởi ñộ dẫn:
∆
=

∆
D
m
GS
I
G
U

Trong ñó: U
GS(th)
, g
m
là những thông số của MOSFET. Người ta có thể dùng
giá trị nghịch ñảo của g
m
là ñiện trở thuận R
DS(ON)
ñể ñặc trưng cho quá trình dẫn
của MOSFET.
I.5.2. ðặc tính ñóng cắt của MOSFET
Do là một phần tử với các hạt mang ñiện cơ bản, MOSFET có thể ñóng cắt với
tần số rất cao. Tuy nhiên ñể có thể ñạt ñược thời gian ñóng cắt rất ngắn thì vấn ñề
ñiều khiển là rất quan trọng. Cơ chế ảnh hưởng ñến thời gian ñóng cắt của
MOSFET là các tụ ñiện ký sinh giữa các cực.
I
D
(A)
U
GS
U

DS
=200V
5V 10V
5A
10A
U
DS
=10V
U
DS
=2V
DÉn dßng
U
DS
=1V
U
DS
=0,5V
0
Hình 1.18. ðặc tính tĩnh của
MOSFET

22



Trên Hình 1.19a thể hiện các thành phần tụ ñiện ký sinh tạo ra giữa các
phần trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Tụ ñiện giữa cực ñiều khiển và cực
gốc C
GS

Phải ñược nạp ñến ñiện áp U
GS(th)
trước khi dòng cực máng có thể xuất
hiện. Tụ giữa cực ñiều khiển và cực máng C
GD
có ảnh hưởng mạnh ñến giới hạn
tốc ñộ ñóng cắt của MOSFET. Hình 1.19b chỉ ra sơ ñồ tương ñương của một
MOSFET và các tụ ký sinh tương ứng.
Các tụ này thực ra có giá trị thay ñổi tùy theo mức ñiện áp, ví dụ C
GD
thay ñổi
theo ñiện áp U
DS
giữa giá trị thấp C
GDI
và giá trị cao C
GDh
ñược chỉ ra trên hình 1.20.


a. Quá trình mở
Giả sử ta xét quá trình mở MOSFET, làm việc với tải trở cảm, có diode không.
ðây là chế ñộ làm việc tiêu biểu của các khóa bán dẫn. Sơ ñồ và ñồ thị dạng dòng
ñiện, ñiện áp của quá trình mở MOSFET ñược thể hiện trên hình 1.21a và hình
1.21b. Tải cảm trong sơ ñồ thể hiện bằng nguồn dòng nối song song ngược với
Hình 1.19. Mô hình một khóa MOSFET
a/- Các thành phần tụ ký sinh giữa các lớp bán dẫn trong cấu trúc MOSFET.
b/- Mạch ñiện tương ñương
Hình 1.20. Sự phụ thuộc của
tụ ñiện C

GD
vào ñiện áp U
DS
U
DS
=U
GS
C
GDI
C
GD
U
DS
U
DD
C
GD
C
GS
C
DS
D
D
S
Driver
I
G
R
dr
R

Gint
G
I
GS
I
GD
R
Gext
Hình 1.21a. Sơ ñồ quá trình mở
một MOSFET

23
diode dưới ñiện áp một chiều U
DD
. MOSFET ñược ñiều khiển bởi ñầu ra của vi
mạch DRIVER dưới nguồn nuôi U
CC
nối tiếp quang ñiện trở R
Gext
. Cực ñiều khiển
có ñiện trở nội R
Gint
. Khi có xung dương ở ñầu vào của DRIVE, ở ñầu ra của nó sẽ
có xung với biên ñộ U
P
ñưa ñến trở R
Gext
.
Như vậy U
GS

sẽ tăng với hằng số thời gian xác ñịnh bởi:
T
1
= (R
dr
+ R
Gext
+ R
Gint
).(C
GS
+ C
GDI
)
Trong ñó tụ C
GD
ñang ở mức thấp, C
GD1
do ñiện áp U
DS
ñang ở mức cao.
Theo ñồ thị, trong khoảng thời gian từ 0 ñến t
1
, tụ (C
GS
+ C
DSI
) ñược nạp theo
quy luật hàm mũ tới giá trị ngưỡng U
GS(th)

. Trong khoảng này cả ñiện áp U
DS
lẫn
dòng I
D
ñều chưa thay ñổi. t
d(on)
= t
1
gọi là thời gian trễ khi mở. Bắt ñầu từ thời ñiểm
t
1
khi U
GS
ñã vượt qua giá trị ngưỡng, dòng cực máng I
D
bắt ñầu tăng, tuy nhiên
ñiện áp U
DS
vẫn giữ nguyên ở giá trị ñiện áp nguồn U
DD
.
Trong khoảng t
1
ñến t
2
, dòng I
D
tăng tuyến tính rất nhanh, ñạt ñến giá trị
dòng tải. Từ t

2
trở ñi, khi U
GS
ñạt ñến mức, gọi là mức Miller, ñiện áp U
DS
bắt
ñầu giảm rất nhanh. Trong khoảng từ t
2
ñến t
4
, ñiện áp U
GS
bị găm ở mức Miller, do
ñó dòng I
G
cũng có giá trị không ñổi. Khoảng này gọi là khoảng Miller. Trong
khoảng thời gian này, dòng ñiều khiển là dòng phóng cho tụ C
GD
ñể giảm nhanh
ñiện áp giữa cực máng và cực gốc U
DS
.
Sau thời ñiểm t
4
, U
GS
lại tăng tiếp tục vợi hằng số thời gian:
T
2
= (R

dr
+ R
Gext
+ R
Gin
) × (C
GS
+ C
GDh
)
Vì lúc này tụ C
GD
ñã tăng ñến giá trị cao C
GDh
(hình 1.20). U
GS
sẽ tăng ñến giá
trị cuối cùng, xác ñịnh giá trị thấp nhất của ñiện áp giữa cực gốc và cực máng, U
DS

= I
DS
.R
DS(on)
.
Trên ñồ thị ở hình 1.21, A
1
ñặc trưng cho ñiện tích nạp cho tụ (C
GS
+ C

GD
)
trong khoảng t
1
ñến t
2
, A
2
ñặc trưng cho ñiện tích nạp cho tụ C
GD
trong khoảng t
2

ñến t
4
.
Nếu coi diode không D không phải là lý tưởng thì quá trình phục hồi của diode
sẽ ảnh hưởng ñến dạng sóng của sơ ñồ như chỉ ra trong hình 1.22, theo ñó dòng I
D

có ñỉnh nhô cao ở thời ñiểm t
2
tương ứng với dòng ngược của quá trình phục hồi
diode D.

24





















b. Quá trình khoá MOSFET
Dạng sóng của quá trình khoá thể hiện trên hình 1.23. Khi ñầu ra của vi mạch
ñiều khiển Driver xuống ñến mức không U
GS
bắt ñầu giảm theo hàm mũ với hằng
số thời gian T
2
= (R

dr
+ R
Gext
+ R
Gint
).(C
GS
+ C
GDh
) từ 0 ñến t
1
. Tuy nhiên sau thời
ñiểm t
3
thì hằng số thời gian lại là:
T
1
= (R
dr
+ R
Gext
+ R
Gint
).(C
GS
+ C
GDI
).
Từ 0 ñến t
1

là thời gian trễ khi khoá t
d(off)
, dòng ñiều khiển phóng ñiện cho tụ
C
GS
và tụ C
GD
. Sau thời ñiểm t, ñiện áp U
SD
bắt ñầu tăng từ I
D
.R
DS(on)
ñến giá trị
cuối cùng tại t
3
, trong khi ñó dòng I
D
vẫn giữ nguyên mức cũ. Khoảng thời gian từ t
2

ñến t
3
tương ứng với mức Miller, dòng ñiều khiển và ñiện áp trên cực ñiều khiển
giữ nguyên giá trị không ñổi. Sau thời ñiềm t
3
dòng I
D
bắt ñầu giảm về ñến không ở
thời ñiềm t

4
. Từ t
4
MOSFET bị khoá hẳn.

Hình 1.21b. Quá trình mở một
MOSFET
(ðồ thị dòng ñiện, ñiện áp)

U
P
U
dr
U
GS
U
th
Møc Miller
U
DS
i
G
(t)
u
DS
(t)
I
G
I
D

i
D
(t)
t
1
t
2
t
3
0
U
DS(on)
t
t
t
t
t
t
4
)
2
1.()(
T
t
e
P
Ut
GS
U
−

−=
A
1
A
2
U
P
U
dr
U
GS
U
th
Møc Miller
)
1
1.()(
T
t
e
P
Ut
GS
U
−
−=
U
DS
i
G

(t)
u
DS
(t)
I
G
I
D
i
D
(t)
t
1
t
2
t
3
0
U
DS(o
n)
t
t
t
t
t
Hình 1.22. Quá trình mở một
MOSFET dưới ảnh hưởng của quá
trình phục hồi diode
(ðồ thị dòng ñiện, ñiện áp)

25













c. Các thông số thể hiện khả năng ñóng cát của MOSFET
Như vậy thời gian trễ khi mở, khi khoá phụ thuộc giá trị các tụ ký sinh
C
GS
.C
GD
.C
DS
, tuy nhiên các thông số kỹ thuật của MOSFET thường ñược cho dưới
dạng các trị số tụ C
ISS
, C
RSS
, C

OSS
dưới những ñiều kiện nhất ñịnh như ñiện áp U
DS
,
U
GS
. Có thể tính ra các tụ ký sinh như sau:
C
GD
= C
RSS
C
GS
= C
ISS
- C
RSS

C
DS
= C
OSS
- C
RSS

Có thể tính các giá trị trung bình cho các tụ C
GD
và C
DS
với ñiện áp làm việc

tương ứng theo công thức gần ñúng sau ñây:
C
GD
= 2(C
RSS
.
làm việc
).(U
DS.làm việc
/U
DS.off
)
1/2
C
OSS
= 2(C
OSS
.
làm việc
).(U
DS.làm việc
/U
DS.off
)
1/2

ðể xác ñịnh công suất của mạch ñiều khiển MOSFET, các tài kiệu kỹ thuật
thường cho thông số ñiện tích nạp cho cực ñiều khiển Q
G
(ñơn vị: Culông (C)) dưới

ñiện áp khi khoá giữa cực máng và cực gốc. U
DS(off)
nhất ñịnh. Khi ñó công suất
mạch ñiều khiển ñược tính bằng:
P
ñiều khiển
= U
CC
.Q
g
.f
gw

trong ñó: f
gw
là tần số ñóng cắt của MOSFET.
Tổn hao công suất do quá trình ñóng cắt trên MOSFET ñược tính bằng:

( )
w w off
1
2
g DS D on
P U I f t t
= +

Trong ñó: t
on
, t
off

là thời gian mở và khoá của MOSFET, tương ứng là các khoảng
thời gian từ t
1
ñến t
4
trên ñồ thị dạng sóng các quá trình mở - khoá.
Hình 1.23. Quá trình
khóa MOSFET
a/- Sơ ñồ
b/- Dạng sóng

a)
b)