ĐIỆN tử CÔNG SUẤT CHƯƠNG 1 LINH KIỆN điện tử CÔNG SUẤT

Điện tử công suất
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Linh kiện điện tử công suất
Băm áp một chiều (DC-DC)
Chỉnh lu (AC-DC)
Điều khiển xoay chiều (AC-AC)
Biến tần
Bảo vệ thiết bị điện tử công suất


Ch¬ng 1. Linh kiÖn ®iÖn tö c«ng suÊt
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Diod c«ng suÊt
Tiristor (SCR)
Triac
C«ng t¾c t¬ tÜnh
Tranzitor lìng cùc (BJT)
Tranzitor trêng (JET, MOSFET)

Tranzitor cùc cöa c¸ch li (IGBT)


1.1. Diod c«ng suÊt
1.

Nguyªn lÝ cÊu t¹o

•

S¬ ®å cÊu tróc

Gåm hai chÊt b¸n dÉn p,n
mét tiÕp gi¸p J
UAK>0 cã dßng ®iÖn IAK#0
UAK<0 kh«ng dßng IAK

A

J
p

n

K


•

CÊu tróc p-n

Ph©n cùc cho p-n

p

p

n

a)

n

Etx

Engoµi

Etx

+

p

Engoµi

n

Etx
+

c)

b)


2. Đặc tính, thông số của diod
Đặc tính nh hình vẽ 1.2



Đặc tính

I

- ở góc phần t thứ nhất:
dòng điện lớn, sụt áp nhỏ

+

ILV

- ở góc phần t thứ ba:

-

dòng rò nhỏ, điện áp ngợc lớn

U

UN
U

U0
-

+

Hình 1.2


Thông số:
Iđm dòng điện định mức, hiện nay dòng điện lớn nhất của một diod công suất tới
7000A

U sụt áp thuận; Sụt áp của diod trong khoảng (0,7 - 2)V
P tổn hao công suất; P = U.I (đến hàng kW)
0
Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 200 C
UN - điện áp ngợc; Trong khoảng (50-4000)V
Irò dòng điện rò, hàng trăm mA


•

KÕt cÊu cã d¹ng nh h×nh vÏ


KiÓm tra s¬ bé
•

Dïng ®ång hå v¹n n¨ng ®o

∞

∞

0

Rx100
_

+
a)

0

Rx100
®á
®en

_

+
b)

®á
®en


1.2. Tiristor (SCR)
1.
2.

3.
4.
5.
6.

Nguyªn lÝ cÊu t¹o
§Æc tÝnh, th«ng sè
KÕt cÊu
Më tiristor
Khãa tiristor
KiÓm tra


1. Nguyên lí cấu tạo

Cấu tạo p - n của tiristor

A








J2

J1

p

n

1

Cấu tạo từ bốn chất bán dẫn đặt liên1tiếp nhau.

J3

p

n

2

2

K

Nếu đặt điện áp ngoài vào trong các tiếp giáp trên có một tiếp giáp ngợc
UAK>0 có J2 ngợc
UAK<0 có J1, J3 ngợc
Cả hai trờng hợp này đều không dòng điện.
Muốn có dòng điện chạy qua pn cần có dòng điện điều khiển (xoá đi một cặp bán dân nào
đó)


Nguyên lí làm việc loại điều khiển từ anod
J1

A
iAG

J2

p1 n1

J3
p2

G

iAK

n2

K

a)

Đa thêm một cực G (gate) vào n1
Khi có điện trờng UAK>0, có dòng điện iAG cặp bán dẫn p1, n1 thành dây dẫn, khi đó
A coi nh đợc đặt trực tiếp vào p2, khi đó xuất hiện dòng iAK
Khi đã có dòng iAK, dòng điều khiển không còn ý nghĩa nữa. Các chất bán dẫn p,n chỉ
trở về trạng thái ban đầu khi ngng dòng điện


Nguyên lí làm việc loại điều khiển từ Katod
A+

J1
p1

n1

a)

J2 J3 iAK
p2 n2 K

n1

_

G

+

iGK

T1

A

p1

n2 K
T2
p2

G

b)

c)

Đa thêm một cực G (gate) vào p2
Khi có điện trờng UAK>0, có dòng điện iGK cặp bán dẫn p2, n2 thành dây dẫn, khi đó K coi nh đợc
đặt trực tiếp vào n1, khi đó xuất hiện dòng iAK
Khi đã có dòng iAK, dòng điều khiển không còn ý nghĩa nữa. Các chất bán dẫn p,n chỉ trở về trạng
thái ban đầu khi ngng dòng điện


2. Đặc tính và thông số
I

Đặc tính có dạng nh hình bên

1

_

+

Thông số:
Có các thông số nh diod
đã nói ở trên

2
UN

Các thông số riêng của tiristor






ITG dòng điện tự giữ;
tm, tk thời gian mở, khóa tiristor, tCM = tm + tK

ITG

UAK

3
_

IG3>IG2>IG1 > 0
4

+

Uđk, iđk - điện áp và dòng điện điều khiển
dU/dt, di/dt - giới hạn tốc độ biến thiên điện áp và dòng điện

UBO

U

So sánh tiristor với các linh kiện bán dẫn
công suất khác
Ưu điển chính của tiristor là có mật độ dòng điện cao, tổn hao nhỏ
Nhợc điểm: tốc độ chuyển mạch chậm, tần số làm việc thấp


3. KÕt cÊu
§Æc ®iÓm kÕt cÊu c¬ b¶n cña tiristor lµ dÉn nhiÖt ra ngoµi nhanh nhÊt.
KÕt cÊu tiristor cã d¹ng nh h×nh T3


4. Mở tiristor






Định nghĩa việc mở tiristor là chuyển nó từ trạng thái không dòng điện sang trạng
thái có dòng điện.
Điều kiện có dòng điện chạy qua tiristor
Muốn có dòng điện chạy qua tiristor phải đáp ứng hai điều kiện:
Có điện áp UAK>0;
Có dòng điện điều khiển iGK 0

Trong mạch điện một chiều, tiristor đợc mở dễ dàng, còn trong mạch xoay chiều việc mở tiristor
phức tạp hơn do điện áp và dòng điện thừơng xuyên đổi chiều
Một số sơ đồ mở tiristor trong mạch xoay chiều

K

U1
U,i

U1

K
Up
b)

a)

Mở tiristor
bằng điện áp
anod

U,i

U,i
t

t

Mở tiristor
bằng nguồn
phụ

U1

MĐK
c)
t

Điều khiển bằng
mạch ĐK


5. Khoá tiristor





Định nghĩa việc khoá tiristor là chuyển từ trạng thái có dòng điện về trạng thái
không dòng điện (hay pn trở về trạng thái ban đầu)
Điều kiện để khoá tiristor là phải đa dòng điện chạy qua nó về 0
Có thể hiểu về điều kiện này là đặt một điện áp ngợc trực tiếp trên hai đầu
UAK<0, tiristor đợc khoá.
Việc đặt điện áp ngợc nh thế không phải khi nào cũng thuận tiện, do đó có một số
cách khoá nh sau:

Mét sè s¬ ®å kho¸ tiristor trong m¹ch mét chiÒu
•
•

Trong m¹ch ®iÖn xoay chiÒu tiristor tù kho¸ do dßng ®iÖn tù ®éng ®æi chiÒu theo
®iÖn ¸p, khi dßng ®iÖn b»ng 0 tiristor tù kho¸.
Mét sè s¬ ®å kho¸ tiristor trong m¹ch mét chiÒu

IT
IN
a) Hë m¹ch b)Ng¾n
m¹ch
dßng

c)T¹o dßng ch¹y
ngîc tiristor víi


•

Mét sè s¬ ®å m¹ch kho¸ tiristor b»ng m¹ch ®iÖn phô

+
U1

L

T1 L

T1

T1
C

C
Ud

D0

U1

L

Id

C
D0

Ud

Id U
Zd

1

D0

Ud

Zd

L2

T1
+
C -

U1

Id

D0
D1

L

L

Zd U1

Ud

C +

- T2

T3

T1

+

T2

-

C
D0

U1

T3

L1

+
Id

-

T4 C

T5

U
Zd d

U1

W2

C D0
+

W1

Id
U1
Zd Ud
-

+

L1
Id

T2

Zd Ud

T3

-

e.

+

Id

Zd Ud

T1

CU1

Zd Ud

T3

D2

D0

g.

+
-

L1

+ C-

D0

D2

T1

-

d.

U1

-

T2

c.

T2

L

T2

Zd Ud U1

T3

D2

L2

T1

D0

Id

b.

a.

+

T1

T1

T2

+

L2

f.

L2

T2
L1
+
h.

T1

L1

T1

C

T3

Id

D0

Zd U U
d
1

T2

C

D0

+

-

T5

T3
i.

Id

T4

Zd Ud


T1

+
C
U1

A
+

T2

B
L

IT
IN

Id
D0
D1

Ud

Zd

6. Kim tra s b
Bớc 1: Kim tra bng ồng hồ vạn năng

Để thang điện trở đo lớn nhất:
A với K (đổi đầu que đo) có điện trở
A với G (đổi đầu que đo) có điện trở .
K với G (đổi đầu que đo) có điện trở (5 - 20)
Đợc nh thế này có thể mắc tiristor vào mạch
Bớc 2. Kiểm tra điều khiển



Dùng các mạch a, b ở mục 4 để kiểm tra tiristor


VÝ dô m¹ch kiÓm tra
•
•
•
•

Tiristor ®îc m¾c vµo líi ®iÖn xoay chiÒu nh c¸c h×nh vÏ díi.
§iÒu kiÖn ®îc phÐp m¾c tiristor vµo m¹ch: UN>2. U~
Khi kho¸ K hë tiristor kho¸ ®Ìn kh«ng s¸ng

2

Khi kho¸ K ®ãng tiristor dÉn ®Ìn s¸ng 1/4 c«ng suÊt

U~

K

§

U~

K
Up

§


7. Diod Shockley (cùng họ đặc tính còn có SUS


SiliconUnilateral Switch)
Diod Shockley có cấu tạo bốn chất bán dẫn nh tiristor nhng không có cổng điều
khiển.
Ngời ta chế tạo linh kiện này có đỉnh đặc tính phi tuyến ở góc phần t thứ nhất nhỏ.
Linh kiện này giống diod ổn áp là chúng cho dòng điện chạy qua khi điện áp vợt
một ngỡng nào đó. Khi có dòng điện chạy qua rồi, diod shockley có sụt áp bằng 0

J2

J1

A

p1

n1

I

J3
p2

n2

+

K
UN

+

-

-

U
UBO