GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐẦY ĐỦ

CHƯƠNG I
CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
1.1 ĐIỐT, TRANZITO CÔNG SUẤT
1.1.1.ĐIỐT
Silic là nguyên tố hoá học thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn, là thành phần
cấu tạo chủ yếu trong một điốt công suất. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài của cấu
trúc nguyên tử, nếu thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài có 5 điện
tử thì 4 điện tử tham gia vào liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và làm xuất hiện
một điện tử tự do. Trong cấu trúc tinh thể các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện
và vì điện tử có điện tích âm nên chất này gọi là bán dẫn loại n (negative - âm).
Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III có 3 điện tử thuộc lớp ngoài
thì xuất hiện một lỗ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ hổng này có thể nhận một điện
tử và tạo nên một điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện. Chất đó được gọi là
bán dẫn loại p (positive – dương).
Nồng độ của các nguyên tố sung vào khoảng một phần 10
7
nguyên tử. Trong
bán dẫn loại n, điện tử là hạt mang điện đa số, còn lỗ hổng là thiểu số, với bán dẫn
loại p thì ngược lại. Tuỳ theo nồng độ của các nguyên tố bổ sung vào mà tính dẫn
điện của chất bán dẫn loại n và loại p cao hơn hẳn tính dẫn điện của silic nguyên
chất.
Anốt
Catốt
a)
b)
Hình 1.1. Điốt
a) Cấu tạo; b) Ký hiệu
Điốt trình bầy trên hình 1.1 tạo nên một lớp chuyển tiếp pn. Các điện tử tự do
trong bán dẫn n sẽ liên kết với lỗ tự do của bán dẫn p, do đó phía n sẽ mang điện
1
1

tích dương và phía p có điện tích âm. Lớp chuyển tiếp p - n có hàng rào điện thế vào
khoảng 0,6V, có chiều như hình vẽ.
Hình 1.2 trình bày đặc tính vôn-ampe của một điốt. Nếu đặt vào p (anốt) một
điện áp dương so với n (catốt) sẽ có dòng điện chạy qua và tạo nên một điện áp rơi
khoảng 0,7V khi dòng điện định mức. Nếu điện áp ngược lại, các điện tử tự do và
các lỗ hổng bị đẩy xa lớp chuyển tiếp , kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài
mA có thể chạy qua. Khi tăng tiếp tục điện áp ngược , các điện tích được gia tốc,
gây nên va chạm gia chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng. Kết quả, điốt mất
tính chất dẫn điện theo một chiều khi điện áp vượt qua điện áp ngược cực đại.
Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn điốt là:
- Dòng điện định mức I
đm
(A)
- Điện áp ngược cực đại U
ngmax
(V)
- Điện áp rơi ∆U (V)
Hình 1.2 Đặc tính V- A của điôt
A
Các thông số của các điốt thông dụng cho trong phụ lục 1.
1.1.2. TRANZITO CÔNG SUẤTHình 1.3 Tranzito npn
a) Cấu tạo; b) Ký hiệu
Tranzito là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp npn hay pnp và được biểu diễn trên
hình
Ở chế độ làm việc tuyến tính dòng điện cực góp I
C
là hàm số của dòng điện
cực gốc I
B
, với một điện áp cực góp – phát U

CB
đã định một biến thiên rất nhỏ của
dòng điện gốc dẫn đến sự biến thiên lớn của dòng điện góp, tỉ số của hai dòng điện
đó vào khoảng từ 15 đến 100. Hình 1.5 vẽ đặc tính của tranzito loại npn.
Hình 1.4 Tranzito pnp
a) Cấu tạo; b) Ký hiệu
2
2
a)
b)
Cũng như các linh kiện loại bán dẫn khác, điện áp tăng gây nên sự va chạm
dây chuyền. Điện áp cực góp và cực phát ngược gây nên va chạm dây chuyền ở lớp
chuyển tiếp gốc – phát ở điện áp thấp vào khoảng 10V. Vì thế không thể để tranzito
chịu điện áp ngược. Trong các mạch có điện áp đổi chiều người ta mắc một điốt nối
tiếp với tranzito.
Các đặc tính của tranzito pnp trên hình 1.4 cũng có dạng tượng tự.
Tổn hao công suất trong tranzito bằng tích của điện áp góp – phát nhân với
dòng điện góp.
Ví dụ trên hình 1.6 nếu ta biến đổi dòng điện gốc để điều khiển dòng điện
qua tải đặt ở cực góp thì có thể xuất hiện các điện áp cao ở các cực của tranzito. Ví
dụ U = 200V, dòng điện gốc I
B
được điều chỉnh để tạo nên dòng điện 10 A qua tải
10 Ω, điện áp rơi trên tranzito là 100V, như
vậy tổn hao công suất của tranzito là 1kW và hiệu suất tổng cộng là 50%, hiệu suất
đó không thể chấp nhận được.
Hình 1.5 Đặc tính của tranzitor
Trong thực tế sử dụng, tranzito công suất thường được cho làm việc ở chế độ
khoá. ở chế độ này, khi dòng điện gốc bằng không, dòng cực góp bằng không,
tranzito được coi như là hở mạch

( hình 1.7) .
Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hoà, thì tranzito trở về
trạng thái đóng hoàn toàn. Tranzito là một linh kiện phụ thuộc nên cần phải phối
hợp dòng điện gốc với dòng điện góp. Ở trạng thái bão hoà để duy trì khả năng điều
khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để
chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng. Ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm
cùng quy luật như dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp
Hình 1.6
Tải được điều khiển bằng tranzitor
3
3
Hình 1.7 Tranzitor chuyển mạch
a) trạng thái dẫn v bà ị khoá; b) Diện tích an to n à ở chế độ xung
Để giảm dòng điện góp ở trạng thái khoá người ta duy trì một điện áp
ngược với giá trị nhỏ ở cực gốc như một khoá chuyển mạch, tổn hao trong công
suất tranzito là nhỏ. Tổn hao đó tính ra do dòng rò nhỏ ở trạng thái mở, do điện áp
bão hoà (trong hình 1.5) và dòng góp ở trong trạng thái đóng. Điện áp bão hoà
thông thương của tranzito công suất silic khoảng 1,1V. Để sử dụng triệt để tranzito
mà không bị quá tải trong khi chuyển mạch cần đảm bảo có điện tích an toàn vẽ trên
hình 1.7b. Trong lúc chuyển mậch giữa hai trạng thái trình bầy trên hình 1.7 a điện
áp và dòng điện tức thời phải nằm trong vòng biểu diễn trên hình 1.7b. Chỉ trong
khoảng thời gian chuyển mạch rất ngắn có giới hạn hình chữ nhật. Tổn hao công
suất tức thời có thể chấp nhận được làm hạn chế thời gian chuyển mạch, điều đó
dẫn tới làm thay đổi vòng ngoài của điện tích an toàn. Lưu ý là hình 1.7 vẽ theo
thang lôgarit.
Các tổn hao chuyển mạch của tranzito có thể lớn. Trong lúc chuyển mạch,
điện áp trên các cực và dòng điện của tranzito cũng lớn. Tích của điện áp với dòng
điện và thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng trong một lần chuyển
mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của
mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc.

Với thời gian chuyển mạch vào khoảng 1 đến 2 µs, tranzito chuyển mạch
nhanh hơn tiristo. Các điều kiện làm việc ở cực gốc của tranzito nặng nề hơn so với
cực điều khiển của tiristo. Ví dụ như với tiristo 30A xung điều khiển có thể khoảng
0,1A, trong khi đó dòng điện gốc của tranzito 30A liên tục là 2A trong suốt thời
gian chuyển mạch. Khả năng chịu tải của tranzito rõ ràng là kém hơn tiristo. Người
ta có thể khoá một tranzito đang dẫn bằng cách điều khiển dòng điện gốc trong khi
đó cực điều khiển của tiristo sẽ mất tác dụng điều khiển sau khi đã mồi.
Người ta cải thiện hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito công suất một cách
dáng kể bằng cách lấy dòng điện gốc từ một tranzito khác theo mạch Darlington .
Nếu tranzito hỗ trợ được chế tạo trên cùng một miếng silic, hệ số khuếch đại dòng
điện tổng vào khoảng 250, nhưng thời gian chuyển mạch dài hơn.
Hình 1.8. Tiristo
a) Cấu tạo; b) Cấu trúc thông thường; c) Ký hiệu
4
4
1.2 TIRISTO
Tiristo là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn pnpn liên tiếp tạo nên anốt, catốt và cực
điều khiển (hình 1.8a).
Cấu tạo thường gặp của tiristo cho trên hình 1.8b, còn hình 1.8c là ký hiệu của
tiristo
Về mặt cấu tạo tiristo gồm một đĩa silic từ đơn tinh thể loại n, trên lớp đệm
loại bán dẫn p có cực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp được tạo nên
bằng kỹ thuật bay hơi của gali. Lớp tiếp xúc giữa anốt và catốt làm bằng đĩa
môlipđen hay tungsten có hệ số nóng chảy gần với silic. Cấu tạo dạng đĩa kim loại
để dễ dàng tản nhiệt. Hình 1.9 trình bày mặt cắt của một tiristo. Ngoài cùng là lớp
vỏ bọc có tác dụng chống các ứng suất cơ học, để dễ dàng tản nhiệt cũng như để dễ
nối với mạch ngoài.
Để giải thích sự làm việc của tiristo ta hãy xét chi tiết các lớp bán dẫn trong
một tiristo.
Hình 1. 9 Mặt cắt của tiristo

Hình 1.10 trình bày chi tiết các lớp bán dẫn đó.
a)Lớp catốt là bán dẫn loại n rất mỏng và mật độ điện tử rất cao, do đó nếu có dòng
điện thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở lớp điều khiển.
Lớp catốt có dòng điện ngược lớn nhưng chỉ chịu được điện áp ngược thấp.
b)Lớp điều khiển là bán dẫn loại p mỏng và có mật độ trung bình, do đó hầu hết các
điện tử từ lớp catốt có thể tới được lớp điều khiển.
Hình 1.10 Chi tiết mặt cắt của tiristo
c)Lớp chắn là bán dẫn loại n là lớp dầy nhất và có mật độ điện tử ít nhất, do đó
tiristo có dòng điện ngược (dòng điện rò) nhỏ và chịu được điện áp ngược lớn.
d)Lớp anốt là bán dẫn loại p, có chiều dầy và mật độ trung bình. Lớp sát vỏ anốt có
mật độ điện tích cao để giảm điện trở thuận. Lớp anốt có dòng điện ngược bévà
chịu gần như toàn bộ điện áp ngược đặt lên tiristo.
Tiristo 300A, 200V có lớp silic đường kính 30 mm dầy 0,7 mm.
Để nghiên cứu sự làm việc của tiristo ta xét riêng rẽ trong hai trường hợp :

p
n
p
n
+
5
5
-
u
i
Dòng điện ngược
Điện áp ngược
Hình 1.11. Tiristo phân cực ngược.
a) Sơ đồ; b) Đặc tính vôn ampe
1) Tiristo phân cực ngược (hình 1.11a): tiristo làm việc như một điốt phân cực

ngược và chỉ cho dòng điện rò khoảng vài mA chạy qua. Giá trị điện áp ngược
khoảng từ 100 đến 3000V tuỳ theo loại tiristo, dòng điện tăng đột ngột và tiristor bị
chọc thủng (hình 1.11b).
2) Tiristo phân cực thuận : Điện áp giữa anốt và catốt là dương. Để giải thích
sự làm việc của các lớp bán dẫn pnpn trong một tiristo ta xem chúng như gồm 2
tranzito loại pnp và npn nối với nhau sao cho cực gốc của tranzito này được nối với
cực góp của tranzito kia (hình 1.12a và b).
Tranzito đầu tiên loại pnp có cực phát e
1
, gốc b
1
, và gốc c
1
. Dòng điện cực góp
I
c1
= I
co
+ α
1
I
α
Trong đó I
co1
là dòng điện rò, α
1
là hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito T
1
Tương tự đối với tranzito T
2

loại npn ta có:
I
c2
= I
co 2
+ αI
α
, I
co 2
là dòng diện rò, α
2
là hệ số khuếch đại dòng điện của
tranzito T
2
.
Dòng điện tổng chạy qua tranzito là:
I
α
= (α
1
+ α
2
) I
A
+ I
co1
+ I
co2
đặt I
co1

+ I
co2
= I
co
là tổng dòng điện rò qua tiristo ta có:
p
e
1
n
6
6
b
1
c
1
n p
e
2
c
1
I
c2
I
c1
n
c
2
T
2
T

1
A
G
K
Hình 1.12:
a) Tiristo phân cực thuận; b) Sơ đồ tương đương
Để tăng I
A
,

nghĩa là có sự khởi động hay còn gọi là để “mồi” tiristo cần cho
biểu thức của mẫu số bằng không 1 – (α
1
+α ) = 0.
Vậy khi phân cực thuận tiristo có hai trạng thái:
(α
1
+ α
2
) < 1 tiristo vẫn tiếp tục bị khoá, dòng điện I
A
bằng dòng điện rò I
co
(α
1
+ α
2
) = 1 tiristo khởi động, trở nên dẫn điện tương tự như điốt phân cực
thuận.
Một trong những tính chất của tranzito silic là có hệ số khuếch đại dòng điện

tăng theo dòng điện cực phát. Do đó có 2 khả năng “mồi” tiristo:
a)Bằng cách tăng điện áp thuận
Nếu tăng dần U thì điện áp trên các lớp chuyển tiếp tăng lên làm các điện tích thêm
năng lượng tạo nên hiện tượng va chạm dây chuyền, tiristo trở nên dẫn điện. Trị số
điện áp U
B
tại đó tiristo được mồi gọi là điện áp mở (hình 1.13).
7
7
b) Bằng xung mồi vào cực điều khiển
Nếu dòng điện I
g
có cực tính dương so với catốt đặt vào cực điều khiển thì
tiristo sẽ được mồi với điện áp mở nhỏ hơn ( hình 1.14).
điểm khởi động
Trạng thái dẫn
Trạng thái bị khoá
I
H
Dòng điện duy trì
u
i
Hình 1. 13: Mồi tiristo bằng cách tăng điện áp thuận
Bằng cách tăng dòng điện điều khiển I
g
các điểm khởi động của tiristo lùi về
phía trái còn khi I
g
đạt tới một giá trị nào đó thì tiristo được mồi ngay lập tức.
Trạng thái bị khoá

I
g
=0
I
g3
>I
g2
>I
g1
Trạng thái dẫn
i
I
H
Hình 1.14: Tiristo mồi bằng dòng điện điều khiển
` Khi tiristo đã chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác
dụng. Tiristo chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện I
A
nhỏ hơn giá trị dòng điện
duy trì I
H
và cần một khoảng thời gian tương đối dài để lớp điều khiển trở lại trạng
thái bị khoá trước khi có thể mồi lại. Nói chính xác hơn để khó tiristo mạch ngoài
nhận dòng điện anốt ngược trong khoảng thời gian ngắn, dòng điện ngược (hình
1.15) tạo nên sự chuyển dịch điện tích tại lớp pn và cho phép hai lớp ngoài khoá tất
cả dòng điện ngược phụ. Cần khoảng thời gian từ 10 đến 100 µs để các hạt mang
điện trong lớp điều khiển phối hợp trở lại, do đó có thể đặt điện áp thuận mà không
bị mồi ngay lập tức.
Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn tiristo là:
- Dòng điện định mức I
n

(A)
- Điện áp ngược cực đại U
in. max
(V)
- Điện áp rơi ∆U (V)
Hình 1.15
Biến thiên của dòng điện trong quá trình khoá
- Điện áp điều khiển U
g
(V)
- Dòng điện điều khiển I
g
(mA)
- Tốc độ tăng dòng điện di/dt (A/ µs)
- Tốc độ tăng điện áp dv/dt (V/ µs)
- Dòng điện rò I
co
(mA)
8
8
9
9
CHƯƠNG II
THIẾT BỊ CHỈNH LƯU
2.1 MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA HAI NỬA CHU KỲ
2.1.1 Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm giữa
u
θ
0
π

2π
θ
0
u
d
π
2π
HÌNH 2.2 ĐỒ THỊ BIẾN THIÊN ĐIỆN PÁ
D
1
Z
u
d
u
22
u
1
i
d
u
21
HÌNH 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
D
2
0
u
21
u
22
u

d
i
d
Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu này bao gồm :
a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu
10
10
2
2
0
22
2
1
UduU
ddo
π
θ
π
π
==
∫
( 2.1)
b) điện áp ngược cực đại trên mỗi điôt U
ngmax
2max
22 UU
ng
=
( 2.2)
d) Giá trị trung bình dòng điện tải

R
U
I
do
d
=
( 2.4)
Đặc biệt trong trường hợp phụ tải là một động cơ điện một chiều có sức phản
điện E, điện trở R và điện cảm L ta có:
R
EU
I
do
d
'
−
=
( 2.5)
2.1.2 Sơ đồ cầu một pha (hình 2.3)
Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha như hình 2.3
Trong sơ đồ này người ta dùng 2 nhóm điôt: nhóm catôt chung gồm 2 điôt D
1
và D
2
và nhóm anôt chung gồm 2 điôt D
3
và D
4
θ
0

u
2
π
2π
θ
0
u
d
π
2π
HÌNH 2.4 ĐỒ THỊ BIẾN THIÊN ĐIỆN ÁP
HÌNH 2.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
Z
u
d
u
2
u
1
11
11
i
d
D
1
D
3
D
2
D

4
M
N
1
2
Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu này bao gồm:
a)Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu
2
2
0
22
2
1
UduU
ddo
π
θ
π
π
==
∫
( 2.6)
b) điện áp ngược cực đại trên mỗi điôt U
ngmax
2max
2UU
ng
=
( 2.7)
c) Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lưu

42
minmax
0
π
=
−
=
do
dd
U
uu
K
( 2.8)
2.1.3. Chỉnh lưu Thyristor 2 nửa chu ky dùng mays biến áp có điểm giưa
12
12
α
π
θ
π
π
CosUduU
dd 2
2
0
22
2
1
==
∫

2max
22 UU
ng
=
2
d
T
I
I =
R
U
I
d
d
=
2.1.4. Chỉnh lưu Thyristor 2 nửa chu kỳ sơ đồ cầu
Hình 3.3 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển
Tải
T
3
T
1
T
4
T
2
u
d
i
d

θ
θ
1

θ
2

α
u
u
d
u
2
α
13
u
13
Các thông số của mạch chỉnh lưu cầu một pha dùng thyristor khi phụ tải thuần trở
R
U
I
d
d
=
2
d
T
I
I =
2max

22 UU
ng
=
α
π
θ
π
π
CosUduU
dd 2
2
0
22
2
1
==
∫
2.2 Chỉnh lưu 3 pha
2.2.1.Sơ đồ chỉnh lưu điôt ba pha hình tia
u
1
= U
m
sin θ
u
2
= U
m
sin (θ - 120
o

)
u
3
= U
m
sin (θ + 120
o
)
HÌNH 2.6 ĐỒ THỊ BIẾN THIÊN ĐIỆN ÁP
θ
u
0
π
2π
M
N
P
Q
u
1
u
2
u
3
D
1
D
2
D
3

θ
1
θ
2
θ
3
u
D1
14
14
Các thông số chính của sơ đồ chỉnh lưu này bao gồm :
a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu
2
2
1
2
2
0
2
63
sin2
2
3
2
1
UdUduU
ddo
π
θθ
π

θ
π
θ
θ
π
∫∫
===
( θ
1
=π/6; θ
2
=5π/6) ( 2.11)
b) điện áp ngược cực đại trên mỗi điốt U
ngmax
Căn cứ vào đường đứt nét hình 2.6 của điện áp u
D1
, ta có
2max
6UU
ng
=
c) Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lưu:

do
dd
U
uu
K
2
minmax

0
−
=
( 2.12)
từ đường cong u
d
ta có: u
dmax
=
2
2U
; u
dmin
=
6
sin2
2
π
U
=0,5
2
2U
nên
3,0
6
3
25,0
2
2
0

==
U
U
K
π
d) Giá trị trung bình của dòng điện tải:
R
U
I
do
d
=
15
15
Đặc biệt trong trường hợp phụ tải là một động cơ điện một chiều có sức phản
điện E, điện trở R và điện cảm lớn L. Với điều kiện E<U
do
ta có:
R
EU
I
do
d
−
=
e) Trị số trung bình của dòng điện qua mỗi điôt:
Vì mỗi điôt chỉ dẫn điện trong 1/3 chu kỳ nên: i
0
=I
d

/3
2.2.2. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha
Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha như hình 2.7
Trong sơ đồ này nếu ta chọn điện áp thứ cấp u
1
làm gốc pha, ta có:
u
1
= U
m
sin θ
u
2
= U
m
sin (θ - 120
o
)
u
3
= U
m
sin (θ + 120
o
)
Trong đó: U
m
là biên độ của điện áp thứ cấp của một pha máy biến áp.
Đồ thị biến thiên của các điện áp này như hình 2.8.
u

1
u
2
u
3
Z
u
d
i
d
D
1
D
3
D
5
16
16
D
4
D
6
D
2
u
HÌNH 2.7 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
θ
1

θ

2

θ
3

θ
4

θ
5

θ
6

u
1
u
2
u
3
u
d
Các thông số chính của sơ đồ chỉnh lưu này bao gồm :
17
A
C
B
θ
HÌNH 2.8 DẠNG SÓNG ĐIỆN P RAÁ
17

a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu
2
2
1
2
2
0
63
)
3
cos(2
2
6
2
1
UdUduU
ddo
π
θθ
π
θ
π
θ
π
θ
θ
π
∫∫
=−==
( θ

1
=π/6; θ
2
=5π/6) ( 2.14)
b) điện áp ngược cực đại trên mỗi điốt U
ngmax
2max
6UU
ng
=
c) Dòng điện qua tải trung bình là:
I
d
= U
d
/ R
d) Dòng điện trung bình qua mỗi điôt:
I
D
=
33
dd
I
R
U
=
2.2.3 MẠCH CHỈNH LƯU BA PHA HÌNH TIA DÙNG TIRISTOR :
T
1
i

d
Tải
T
2
T
3
u
d
u
1
u
2
u
3
Hình 3.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia dùng tiristor
18
18
Sơ đồ ba pha hình tia hoạt động và tạo nên điẹn áp chỉnh lưu u
d
khác nhau
tuỳ theo độ lớn của góc mở, tuỳ theo đặc tính của tải
• khi
α
= 0
0
Các tiristor được cấp xung điều khiển lần lượt ngay tại giao điểm các điện áp
pha. điện áp chỉnh lưu sẽ cực đại bằng U
m
, còn điện áp ngược cực đại khi tiristor bị
khoá u

mg max
=
2
6U

• Khi α < 30
0
Ví dụ trên hình 3.6b góc mở α = 20
0
. Không phụ thuộc vào tính chất của điện áp
tải và dòng điện chỉnh lưu liên tục
Tại α
1
cấp xung điều khiển cho T
1
. Vì u
α
dương nhất nên T
1
mở, điện áp rơi trên
tiristor có thể bỏ qua, điện áp trên tải bằng điện áp nguồn. Đến α
2
cấp xung điều
khiển
cho tiristor T
2
, lúc này u
B
dương nhất nên T
2

mở. Khi T
2
đãn điện áp ngược đặt lên
T
1
là điện áp dây, do đó trị số điện áp ngược cực đại là
2
6U
• Khi α > 30
0
Tải thuần trở do có van đang dẫn sớm hơn thời điểm mở tiristor của pha kế tiếp,
do đó có vùng các tiristor đều bị khoá
Điện áp trung bình của tải được xác định theo biểu thức:
α
π
θθ
π
α
π
α
π
cos
2
63
sin
2
23
2
3
3

U
d
U
U
d
==
∫
+
+−
( 3.16)
Quan hệ giữα dòng điện hiệu dụng và thứ cấp theo I
d
:
3
2
d
I
I =
3
2
1
d
I
kI =
Từ đó suy ra : S
1
=1.21P
d

S

2
=1,48P
d
T
3
19
19
T
1
T
4
T
6
u
a
Tải
u
d
i
d
T
5
T
2
u
b
u
c
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha dùng tiristor
3.4 MẠCH CHỈNH LƯU CẦU BA PHA DÙNG TIRISTOR

Thời điểm Mở Khoá
π/6 + α
T
1
T
5
3π/6 + α
T
2
T
6
5π/6 + α
T
3
T
1
7π/6 + α
T
4
T
2
9π/6 + α
T
5
T
3
11π/6 + α
T
6
T

4
Điện áp trung bình trên tải được tính theo công thức :
α
π
θθ
π
α
π
α
π
cos
63
sin
2
26
2
6
5
6
U
d
U
U
d
==
∫
+
+
( 3.17)
Công suất định mức của máy biến áp : S

1
= S
2
=1,05.P
d
CHƯƠNG 3
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MẠCH CHỈNH LƯU
3.1 Giới thiệu chung
3.1.1 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU
Mạch điều khiển ( MĐK ) chỉnh lưu cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau:
20
20
1. Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển
cần thiết
2. Đảm bảo phạm vị điều chỉnh góc điều khiển α
min
÷ α
max
tương ứng với phạm
vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực.
3. Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải
yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện liên
tục hay gián đọan, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp
4. Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 1
0
÷ 3
0
điện, tức là góc
điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên
5. Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao

động cả về giá trị điện áp và tần số
6. Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt
7. Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms
8. Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển nếu cần như
ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường
của lưới và bản thân bộ chỉnh lưu
9. Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn các
van, có nghĩa là thoả mãn các yêu cầu
- Đủ công suất (về điện áp và dòng điện điều khiển)
- Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định,
thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10V/µs, tốc độ tăng điều
khiển 0.1A/µs
- Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng
điện duy trì I
dt
của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ trạng thái dẫn
- Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu va tính chất tải. Có ba dạng
xung điều khiển phổ biến là xung đơn, xung rộng, xung chùm
3.1.2. ĐẶC ĐIỂM VÀ CHÚ Ý
1. Đặc điểm vùng điều khiển GK của tiristor
Vùng giữa cực điều khiển G và K là miền điều khiển để mở tiristo và có đặc
tính trên hình 4.1. Tuy nhiên các quá trình trong nó có thể chia thành ba giai đoạn
a. Đặc điểm khi tiristo đang khoá
Hình 4.1
U
GK
21
21
A
K

i
G
R
s
A
K
R
g
I
g
U
GK
Hình 4.2
Khi tiristo chưa dẫn dòng điện I
a
=0, miền điều khiển GK có thể dùng sơ đồ thay
thế hình 4.2. Trong đó R
G
đặc trưng cho điện trở dọc theo lớp bán dẫn p
2
; R
s
đặc
trưng cho các điện trở xuyên ngẫu nhiên giữa GK; trị số R
G
, R
s
phụ thuộc cụ thể vào
từng loại tiristo. Miền quá độ p
2

– n
2
đặc trưng bằng điôt ổn áp chứ không phải đơn
thuần bằng điôt vì tiristo chịu điện áp ngược thì nó sẽ thông ở mức điện áp 5 đến 20
V
b. Đặc điểm khi tiristo vừa mới mở (chưa dẫn hẳn)
Khi đặt điện áp thuận lên tiristo (U
AK
> 0) và cho dòng điều khiển xuất hiện sẽ
làm cho tiristo mở ra, tuy nhiên lúc đầu dòng quá độ điều khiển sẽ khác đặc tính
tĩnh vì qua quá độ còn có dòng van I
a
đi qua. Đặc tính có dạng trên hình 4.1. Càng
tăng U
GK
thì dòng qua van càng lớn càng làm cho điện trở động của miền quá độ
giảm dần, rồi giảm tới không và thậm chí còn âm nữa. Điểm M sẽ là điểm mà tiristo
chuyển từ khoá sang dẫn.
c. Đặc điểm khi tiristo đã dẫn:
Khi van đã dẫn hoàn toàn và trị số dòng điện qua van lớn hơn giá trị duy trì để
van tự giữ trạng thái mở của nó(I
a
> I
dt
) thì điện áp rơi trên quá độ GK sẽ xấp xỉ điện
áp rơi trên cả van: U
GK
≈ U
AK
; điện trở vùng GK còn lại bằng R

G.
22
22
2 Ảnh hưởng của các phần tử nối song song với cực điều khiển
• Ảnh hưởng của điện trở nối song song với cực điều khiển. Điện trở này ảnh
hưởng rất lớn đến tiristo:
- Làm tăng giá trị dòng qua van I
a
cần thiết để mở được và duy trì cho van dẫn vì
điện trở này rẽ nhánh dòng qua van qua nó
- Hạn chế ảnh hưởng của tốc độ tăng áp đu/ dt, nó sẽ dẫn bớt dòng ký sinh có hại
này qua nó, giảm bớt tác động này đến cực điều khiển
- Các tiristo có độ nhạy cao thường bắt buộc phải có điện trở này để dẫn dòng
nhiệt(dòng điện rò) qua nó để tránh tiristo bị mở vì dòng này làm giảm hệ số khuếch
đại dẫn đến làm tăng điện áp chuyển mạch của van
- Làm giảm được thời gian phục hồi tính chất khoá cho tiristo vì nó tạo thành mạch
thoát cho điện tích dư tích tụ trong vùng p
2
và n
2
.
3. Đặc tính vào của tiristo
a) Đặc tính vào
Đường đặc tính V-A giới hạn tương quan giữa dòng điều khiển với điện áp điều
khiển.
Trên đồ thị hình 4.3 là các đường A và B
- Đường điện áp điều khiển tối đa cho phép (C)
- Đường dòng điện điều khiển tối đa cho phép (D)
- Đường công suất điều khiẻn tối đa cho phép P
đkmax

(E), đường này phụ
thuộc vào độ rộng xung điều khiển; xung càng rộng thì đường này
càng thu vào trong
- Đường chứa vùng không đảm bảo mở van (vùng gạch chéo) tương
ứng với các trị số nhiệt độ môi trường
- Đường chứa vùng không đảm bảo mở van (vùng gạch chéo)
I
G
U
GK
C
B
D
A
E
Hình 4.3
23
23
b) Độ rộng xung điều khiển
Xung điều khiển phải có độ rộng t
x
sao cho thời gian tồn tại xung dòng điều
khiển này dòng điện chảy qua van (I
a
) đã kịp tăng vượt trị số duy trì. Độ rộng
xung điều khiển và dòng điện duy trì có mối quan hệ sau đây:
• Chế độ dòng điện liên tục:
[ ]
)cos(cos
)sin(

2
x
a
m
dt
t
X
m
U
I
ωαα
π
+−=
trong đó:
m: số pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho mạch van lực
X
a
: điện kháng pha của mạch lực.
• Chế độ dòng điện gián đoạn và chế độ khởi động
[ ]
)cos(cos
)sin(
2
x
t
m
dt
t
X
m

U
I
ωαα
π
+−≤
X
t
: là điện kháng của tải
Thực tế cho thấy độ rộng xung điều khiển dạng xung đơn chỉ cần cỡ 500µs là
đảm bảo mở van với các dạng tải
3.2. CÁC KHÂU CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.2.1 Khâu tạo xung răng cưa (hình 4.7)
C
R
C
R
b
ra
U
24
24
ra
U
HÌNH 4.7
Sơ đồ nguyên lý v dà ạng sóng đầu ra của mạch tạo xung ră ng cưa
+
E
C
t
t

U
đb
Khâu này tạo ra điện áp đồng pha với điện áp nguồn , đảm bảo vùng điều chỉnh
đủ rộng, để đáp ứng được yêu cầu về vùng điều khiển, độ chính xác và tính ổn định
trong điều khiển xung.
Dưới đây là mạch tạo xung răng cưa dùng mạch phóng của tụ điện.
Nguyên lý làm việc của khâu tạo xung như sau:
Khi
0=
V
U
, T khoá, i
c
= 0. Tụ C nạp điện.
Thời gian nạp:
T
nạp
= C.R
C
= t
1
Khi U
V
là một xung dương, T mở cho dòng chảy qua i
C
≠ 0. Tụ C phóng
điện.
Kết quả thu được xung răng cưa.
Với t
1

là thời gian quét thuận (thời gian làm việc); t
2
là thời gian quét ngược
(thời gian phục hồi).
Chu kỳ của xung T
T = t
1
+ t
2
25
25