CHƯƠNG 2 sillicon controlled rectifier (SCR) và bộ CHỈNH lưu

C A TH O D E

A N O D E

Q 1

Chương II: Sillicon Controlled Rectifier (SCR) và Bộ Chỉnh Lưu
G A T E
I. Sillicon Controlled
Rectifier (SCR):
Q 2

P

1. NCấu tạo và nguyên lý :C A T H O D E
SCR(silicon controlled rectifier): gọi là chỉnh lưu có điều khiển, là linh kiện
quan trọng nhấtP của họ linh kiện bán dẫn công suất lớn có nhiều hơn 3 lớp P-N
gọNi là Thyristor. Có nhiều tài liệu gọi SCR là thyristor cũng vì lý do đó.
N

A N OD E

G AT E
C A TH O DE

CA T H O DE A NO DE G A TE P P N N J 1 J 2 J 3 A NO D E G A T E P P N N P N CA T H O DE

AN OD E

Q 1

G

AT E

Q

2

C

AT HO DE

a.

G A TE

b.

A N O D E

c.
d.
Hình II.1: a,b,c,d

Thyristor gồm 3 lớp PN và mắc vào mạch ngoài gồm 3 cổng : điện cực
anode A cathode C và cổng điều khiển G. Về mặt lí thuyết tồn tại cấu trúc
PNPN và NPNP, trong thực tế người ta chỉ phát triển và sử dụng loại PNPN. Sơ
đồ thay thế thyristor bằng mạch transitor được vẽ ở hình 1d. Mạch tương đương
này giải thích hầu hết những tính chất của SCR. Giả sử anode của thyristor
chòu tác dụng của điện áp dương so với cathode (u AK>0). Khi đưa vào mạch G,K

của cathode (tương đương với mạch base - emiter của transitor NPN ) xung
dòng IG, transitor sẽ đóng. Dòng điện dẫn tiếp tục qua mạch emitor – base của
transitor PNP và đóng nó. Các transitor tiếp tục đóng ngay cả khi dòng i G bò
ngắt. Dòng qua collector của một transitor cũng chính là dòng đi qua base của
transitor thứ hai và ngược lại. Các transitor vì vậy cùng nhau duy trì trạng thái
đó
SCR trong thực tế làm việc hoàn toàn giống như SCR của ngắt điện điện
tử với tín hiệu điều khiển là dòng IG:
- Khi mới cấp điện, I G =0 : SCR khóa thuận và ngược –I D là dòng điện rò, cỡ
mA với VAK

≠

0.

- Khi SCR phân cực thuận – V AK >0, và có tín hiệu điều khiển – I G >0, SCR
chuyển sang trạng thái dẫn điện và có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện cho
đến khi dòng qua nó giảm về 0.


Dựa vào mô hình hai BJT, ta có thể kiểm tra SCR bằng VOM ở chế độ đo
điện trở:
-

Các đầu AK và GA có điện trở vô cùng.

- GK là mối nối PN có điện trở song song (nhỏ hơn 100 Ohm). Điện trở
này làm tăng khả năng chòu áp và chống kích nhầm do nhiễu.
2. Các tính chất và trạng thái cơ bản:
Nếu transitor bò ngắt, thì anode có thể chòu được điện áp dương so với

cathode –trạng thái khoá; hoặc điện áp âm so với cathode - trạng thái nghòch.
Hiện tượng đóng SCR tức chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn điện
có thể thực hiện nếu thoả mãn hai điều kiện sau:
-Thyristor ở trạng thái khoá.
-Phải đưa xung dòng IG>0 đủ lớn.
Chiều thuận nghòch và các thuật ngữ về dòng, áp; điện áp thuận và dòng
thuận được ký hiệu với chỉ số T – dòng điện khóa I D, điện áp khóa UD (xem
hình).


UT

Áp thuận, áp khóa

IT

Dòng thuận
K

A
G IG

UG

UR Áp ngược
I Dòng ngược
R

Hình II.2 : Kí hiệu dòng và áp của SCR
Hiện tượng ngắt SCR : quá trình chuyển từ trạng thái dẫn điện sang không

dẫn điện (tức trạng thái nghòch hoặc trạng thái khóa), Quá trình này gồm hai
giai đoạn:
1/-Giai đoạn làm dòng thuận bò triệt tiêu : thực hiện bằng cách thay đổi điện
trở hoặc điện áp giữa anode và cathode.
2/-Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của thyristor. Sau khi dòng thuận bò
triệt tiêu cần có một thời gian – thời gian ngắt, để chuyển thyristor vào trạng
thái khóa.
3. Đặc tính tónh (Volt-Ampe) : Mô tả quan hệ IT(VAK) với dòng IG khác nhau.


IT
VF

IL
IH

VRB

IG

VAK
V

Hình II.3 : Đặc tuyến của SCR

R
EA

VR
SCR

EG
Hình II.4 : sơ đồ thí nghiệm

Trên hình II.3 và II.4 cho ta sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến volt – ampe của
SCR, trong đó IT thay đổi được và dòng I G điều khiển nhờ VR. Đặc tính tónh
SCR gồm các miền:


•

VAK< 0: Khóa ngược : Chạy qua SCR là dòng rò ngược , cở mA. Khi V AK <
-VRB ta có hiện tượng gãy ngược, dòng
giữ trò số lớn

•

⇒

IT

tăng rất cao trong khi VAKvẫn

SCR bò hỏng.

VAK>0 và IG =0 : Khóa thuận : Ta có dòng rò thuận cũng cỡ mA. Khi
VAK>VFB ta có hiện tương gãy thuận : SCR chuyển sang vùng dẫn điện.

Ta phải chọn đònh mức áp của SCR lớn hơn các giá trò này, hệ số an toàn
điện áp thường chọn lớn hơn hay bằng 2.
Khi phân cực thuận, nếu IG tăng lên từ giá trò 0, VFB giảm dần. Như vậy,

dòng IG cần phải đủ lớn để có thể sử dụng SCR như một ngắt điện điện tử:
SCR chuyển sang trạng thái dẫn ngay khi được kích bất chấp điện áp phân
cực thuận.
•

Vùng dẫn điện : Ứng với trường hợp SCR đã được kích khởi và dẫn điện,
sụt áp qua SCR VAK=VF khoảng 1-2 volt. Trong vùng dẫn điện có hai đặc
trưng dòng:

+I L :dòng cài, là giá trò tối thiểu của I T để SCR có thể duy trì trạng
thái dẫn khi dòng cực cổng IG giảm về 0 (kích SCR bằng xung).
+I H : dòng giữ, là giá trò tối thiểu của I A để SCR có thể duy trì trạng
thái dẫn (khi không còn dòng cực cổng I G). Nếu dòng anode thấp hơn IH,
SCR trở về trạng thái khóa.
IL khác IH vì có quá trình lan tỏa của dòng anode từ vùng phụ cận của cực
G đến toàn mảnh bán dẫn khi SCR được kích ( có dòng cực nền ), tương ứng
mật độ dòng giảm dần, làm cho hệ số khuếch đại dòng điện tăng. Quá trình
quá độ này còn ảnh hưởng đến giới hạn di/dt, được giới thiệu trong đặc trưng
tính động của SCR.
4. Đặc tính động (đóng ngắt):
a. Đặc tính mở: (turn on)

Có thời gian trễ ton từ khi cấp dòng kích IG đến khi SCR dẫn, ton có trò số
khoảng một vài micro giây; ton giảm khi IG tăng.
Một thông số khác liên quan quá trìng mở là giới hạn tốc độ tăng dòng
diT/dt. Tốc độ tăng của dòng qua SCR phải nhỏ hơn giá trò cho phép để SCR


không bò hư hỏng vì quá nhiệt cục bộ khi chưa kòp phân bố lại mật độ dòng
điện qua nó. Người ta thường bảo vệ SCR bằng cách thêm cuộn kháng nối

tiếp với anode, có giá trò khoảng vài chục micro Henry để hạn chế diT/dt.
VAK
IT
IG

t

cathode

distriduted
gate

gate
water

water

cathode
area

Hình II.5 : a. Đặc tính động mở và khoá của SCR
b. Cấu tạo SCR cực cổng có cấu tạo phức tạp, phân
bố trên toàn bộ miếng bán dẫn để tăng di/dt.

b. Đặc tính khóa : ( turn off) Giả sử SCR đang dẫn dòng tải. Do đặc tính tải

hay một tác nhân khách quan khác, dòng anode giảm về 0, áp V AK
chuyển thành giá trò âm như hình 1.4. Dòng anode có giai đoạn dẫn điện
ngược trước khi chuyển sang trạng thái khóa ngược tương ứng với việc
giải phóng các điện tích của các mối nối tích lũy trong chế độ dẫn. Sau

điện áp VAK dương được đặt trở lại. Quá trình khóa SCR có hai yêu cầu
quan trọng:
+ Cần có thời gian đảm bảo tắt t off để SCR phục hồi khả năng khả
năng khóa trước khi đặt áp dương trở lại. t off phụ thuộc chế tạo và giảm khi
trò số áp khóa giảm.
toff =

[10.. 50]

micro giây với SCR tần số cao

[100.. 300]

micro giây với SCR chỉnh lưu.

toff là thông số quan trọng để tính toán mạch tắt SCR khi sử dụng ở nguồn
một chiều.


+ Có giới hạn tốc độ tăng du/dt của điện áp phân cực thuận để SCR
không chuyển sang chế độ dẫn. Có thể giải thích hiện tượng này khi xét các
tụ điện mối nối. Dòng nạp tụ du/dt cũng chính là dòng kích SCR.
Giới hạn du/dt của SCR phụ thuộc cấu tạo, tăng theo đònh mức áp của
SCR. Mạch RC nối tiếp mắc song song AK của SCR (snubber) có thể cải
thiện du/dt. RC mắc song song GK cũng hạn chế khả năng SCR tự kích do
nhiễu từ ngoài (hình II.6).

R1

SCR

C2

R2

C1

Hình II.6 : Mạch bảo vệ SCR khỏi các chế độ kích dẫn không mong muốn

µ

C2 =0.05 - 0.1 F ; R2 = 33 – 100 Ohm ; R1 tăng khi áp SCR tăng
và/hay dòng tải giảm, từ 20 -100 Ohm ; C1 tăng khi dòng SCR tăng và hay
áp SCR giảm, từ 0.1 – 0.5

µ

F.

5. Đặc tuyến cổng:
Biểu diễn quan hệ áp dòng giữa hai cổng G và K. Độ sai lệch giữa các đặc
tuyến của các thyristor cùng loại đáng kể. Hình dạng của đặc tuyến thay đổi
nhiều theo nhiệt độ. Trên hình vẽ có các nhánh biên của các đặc tuyến VA
của lớp chuyển đổi G-K. Điểm làm việc của ngỏ nhập phải nằm trong vùng xác
đònh bởi các nhánh biên.
Công suất tổn hao ở cổng G bò giới hạn bởi giá trò PG(AV) M tức công suất
tổn hao trung bình cực đại. Thông thường, các thyristor của các bộ biến đổi điện


đóng ngắt tuần hoàn và các xung dòng cũng đưa vào lớp cổng một cách tuần
hoàn. Giả sử các xung này có chiều rộng

với xung đó là:
PCM ψ =

ψ

thì giá trò công suất uG.iG tương ứng

PC ( AV ) 2.π

ψ

Trên hình II.7a biểu thò hai giá trò i GT giới hạn của dòng đóng của cổng,
và uGT- giới hạn của điện áp cổng. Hai giới hạn này cho biết vùng chứa giá trò
của uG, iG mà ở đó việc kích đóng SCR không đảm bảo thành công. Các giá trò
điện áp và dòng cổng kích nên được thiết lập trong vùng gạch chéo trên hình
II.7a.
ψ

ωt
ψ=π/12
ψ=π/6

Hình II.7 : a. Đặc tuyến V-A nhập của thyristor.
b. Sơ đồ thay thế đơn giản của mạch cổng.

Nếu như ta sử dụng mạch tạo xung điều khiển như hình II.7b thì đường
thẳng uG = u – i G cắt ngang vùng gạch chéo trên. Giao điểm của nó với đặc
tuyến ngỏ vào xác đònh các giá trò của i G, uG khi đóng thyristor. Để đóng
thyristor, khoảng đầu xung dòng kích phải có trò đủ lớn. Dạmg xung dòng
thường sử dụng cho cổng có dạng như hình II.7a.

+V cc

IG
SC R
U G
B I E ÁN A ÙP X U N G

0

M A ÏC H K H U E ÁC H Đ A ÏI T Í N
H I E ÄU Đ I E ÀU K H I E ÅN
H ì n h I I . 8 : M a ïc h k h u e ác h đ a ïi v a ø c a ùc h l y

Do tính chất của lớp nghòch không tốt nên không được phép xuất hiện điện
thế âm trên nó dù rất nhỏ. Khi thyristor ở trạng thái nghòch, việc kích vào cổng
G sẽ làm tăng dòng nghòch một cách vô ích. Các xung điều khiển thường truyền
đến thyristor nhờ biến áp xung. Nhiệm vụ của nó là tách mạch công xuất ra
khỏi nguồn tạo xung kích. Khi sử dụng các biến áp xung, cần phải giải quyết
vấn đề làm tắt nhanh dòng từ hóa khi xung bò ngắt (nếu không thì dòng từ
không ngừng tăng lên sau mỗi lần đưa xung vào) và vấn đề cần bảo vệ lớp
cổng của thyristor trước điện áp nghòch. Để giải quyết vấn đề trên ta có thể sử
dụng dòng mạch vẽ ra ở hình II.8.
6. Đặc tính nhiệt :
Như các linh kiện công suất khác, khi làm việc SCR tiêu tán năng lượng và
phát nóng. Mục đích của tính toán nhiệt cho SCR là kiểm tra nhiệt độ mối nối
θj

của tinh thể bán dẫn phải bé hơn giá trò cho phép

0
C. Việc giải bài toán này bao gồm:

θ j max

, có trò số từ 150 .. 200
∆P = ∫ v(t ).i (t )dt
T

-Tính công suất tiêu tán trung bình trên SCR trong chu kỳ T
v(t),i(t) là giá trò tức thời áp, dòng qua anode – cathode của SCR. Có thể tra


tài liệu của nhà sản xuất, theo hai thông số : trò số trung bình và dạnh dòng
điện hay tích phân trực tiếp từ dòng, áp.
-Tính toán truyền nhiệt từ tinh thể bán dẫn ra môi trường xung quanh:
mối nối

→

vỏ SCR

→

tản nhiệt

→

môi trường.

Bài toán này có thể đơn giản khi cho rằng trong chế độ xác lập, chênh lệch
θ1 θ 2

nhiệt độ trên đường truyền ,
tỉ lệ với công suất tiêu tán
đặc trưng của môi trường truyền – gọi là điện trở nhiệt R12:

∆P

và thông số

θ 1 θ 2 ∆P.R12

- =
Áp dụng vào tính toán tản nhiệt cho bán dẫn công suất :
θJ

-

θA

=

∆P

. (RJC +RCH +RHA)

với các trở nhiệt :

+ RJC: thể hiện khả năng tản nhiệt của linh kiện, cung cấp bởi nhà sản xuất,

được cung cấp trực tiếp hay thông qua công suất đònh mức

∆P

(kí hiệu Pdiss

trong các tài liệu tiếng Anh), xác đònh bằng nhiệt độ mối nối cho phép
và nhiệt độ vỏ bằng giá trò môi trường qui đònh,là 250C.

θ j max

+ RCH : điện trở nhiệt khi truyền từ vỏ của linh kiện qua tản nhiệt, giảm khi
áp lực tiếp xúc, độ nhẵn bề mặt tăng. Người ta còn có lớp đệm bằng cao su
đặc biệt vừa làm cách điện và tăng tiếp xúc, hay dùng keo (paste) sillicon
làm kín các khe kở giữa hai bề mặt.
+ RHA:điện trở nhiệt khi truyền từ tản nhiệt ra môi trường xung quanh, là bộ
phận chủ yếu cho tản nhiệt hệ thống, tỉ lệ nghòch với diện tích tản nhiệt. Có
thể giảm RHA khi làm đen bề mặt (tăng khả năng bức xạ nhiệt), hay dùng
quạt để tản nhiệt cưỡng bức, ở các hệ thống công suát rất lớn , nước được
bơm qua tản nhiệt để giảm thể tích bộ tản nhiệt, tránh choán chỗ.
Tíng toán nhiệt thường được dùng cho bài toán kiểm tra, khi chọn sơ bộ SCR
có thể sử dụng các giá trò trung bình hay hiệu dụng của dòng điện như sau:
Dòng làm việc trung bình I0 < Giá trò trung bình đònh mức IAVE
Dòng làm việc hiệu dụng IR < Giá trò hiệu dụng đònh mức IRMS.
Quan hệ giữa hai giá trò này là :

hay


IRMS =1.57 IAVE

Do dạng dòng qui đònh khi tính toán đònh mức cho diode và SCR là chỉnh
lưu bán sóng. Hệ số an toàn dòng thường chọn từ 1.2 đến 2 lần. Việc tính
chọn theo hiệu dụng thường cho kết quả phù hợp hơn vì dạng dòng mạch
điện tử công xuất thường ở dạng xung.
Sau khi chọn giá trò đònh mức, khi thi công cần phải kiểm tra nhiệt độ vỏ
linh kiện bán dẫn , không được vượt quá 65..70 0C.
7. Mạch kích thyristor:
Trong các bộ biến đổi công suất dùng thyristor và mạch tạo xung kích vào
cổng điều khiển của nó cần cách điện. Tng tự như các mạch kích cho
transistor, ta có thể sử dụng biến áp xung hoặc optron, xem hình II.9
+Vcc
U1

A
G

K

Hình II.9 : Sơ đồ kích bằng optron

Xung hồng ngoại do diode D1(LED) phát ra làm photoSCR V1 đóng tạo điều
kiện để dòng kích vào cổng G của thyristor V. Mạch cần nguồn riêng cho mạch
cồng, do đó làm tăng giá thành và kích thùc mạch kích.
Mạch kích dùng biến áp xung được vẽ trên hình II.10. Sau khi tác dụng áp
lên mạch cổng B của transistor Q1. Transistor Q1 dẫn bão hòa làm điện áp Vcc
xuất hiện trên cuộn sơ cấp của biến áp xung và từ đó xung điện áp cảm ứng
xuất hiện phía thứ cấp biến áp . Xung tác dụng lên cổng G của thyristor. Khi
khóa xung kích cho transistor Q1 bò ngắt dòng qua cuộn sơ cấp biến áp xung duy
trì qua mạch cuộn sơ cấp và diode Dm.

+V cc
G

K
B I E ÁN A ÙP X U N G

0

H ì n h I I . 1 0 : M a ïc h k í c h s ư û d u ïn g b i e án a ùp x u n g

Việc đưa xung kích dài vào cổng G làm tăng thêm tổn hao mạc cổng, do đó có
thể thay thế nó bằng chuổi xung. Muốn vậy xung điều khiển kết hợp với tín
hiệu ra của bộ phát xung vuông qua mạch cổng logic AND trước khi đưa vào
cổng B của transistor Q1 (xem hình II.11).
+V cc
G

K
B I E ÁN A ÙP X U N G
+V cc

G N D
B O Ä T A ÏO X U N G

0

H ì n h I I . 1 1 : M a ïc h k í c h x u n g r o än g s ư û d u ïn g b i e án a ùp x u n g

8. Các linh kiện khác trong họ thyristor :

1. Darlistor: Là loại SCR có cấu tạo nối tầng (cascade ) để tăng hệ số
khuếch đại dòng IA/IG khi đònh mức dòng lớn và rất lớn ( vài trăm đến vài
ngàn ampe). Lúc đó, dòng kích vẫn ở vài ampe. Darlistor là tên thương mại ,
nhái theo trandidtor nối tầng là Darlington transistor. Một số nhà sản xuất
vẫn dùng tên SCR hay Thyristor nhưnh chú thích là cực cổng được khuếch
đại (Amplified gate thyristor).

Mạch tương đương
của TRIAC

Hình II.12 : Kí hiệu và sơ đồ tương đương các linh kiện trong họ Thyristor.

2. Triac : là linh kiện phổ biền thứ hai của họ thyristor sau SCR, có mạch
tương đương là hai SCR song song ngược, được chế tạo với dòng đònh mức
đến hàng ngàn ampe. Mạch tương đương hai SCR, song song ngược hoàn
toàn tương thích với triac khi khảo sát lý thuyết, nên thường được dùng thay
thế cho nhau trong các sơ đồ nguyên lý mặc dù trong thực tế chúng có nhiều
tính chất khác nhau.
Triac có khả năng khóa theo hai chiều, trở nên dẫn điện khi có dòng kích
và tự giữ trạng thái dẫn cho đến khi dòng qua nó giảm về không.
Triac có thể điều khiển bằng dòng G –T2 cả hai cực tính và hai chiều
dòng điện tải làm sơ đồ điều khiển đơn giản hơn mạch tương đươg hai SCR
rất nhiều.
Nhược điểm rất quan trọng của Triac là dễ bò tự kích ở nhiệt độ mối nối
cao và giới hạn du/dt rất thấp, khó làm việc với tải có tính cảm. Lúc đó,
người ta vẫn phải dùng hai SCR song song ngược.
3. Diac: có nguyên tắc hoạt động tương tự như triac nhưng không có cực
cổng G, ngưỡng điện áp gãy rất thấp – thường là 24 V, dược dùng trong các

mạch phát xung và kích thyristor với dòng xung một vài ampe.


4. La SCR(light – activated – DCR ): DCR kích bằng tia sáng.
Có nguyên tắc làm việc như SCR nhưng được kích bằng dòng quang
điện>LA SCR rất thiùch hợp cho các ứng dụng cao áp, khi cách điện giữa
mạch kích và động lực trở nên vấn đề phức tạp, giải quyết tốn kém.
5. GTO (Gate turn off SCR, SCR tắt bằng cực cổng ).
Với khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện, SCR không thể tự tắt ở nguồn
một chiều nếu mạch không có sơ đồ đặc biệt để dòng qua nó giảm về
không. GTO cho phép ngắt SCR bằng xung âm ở cực cổng. Từ mạch tương
đương hai BJT (hình 1.2), khả năng này có thể được dự đoán. Nhưng trong
thực tế, SCR không thể tắt bằng cổng vì cực cổng chỉ mồi cho quá trình dẫn,
sau đó không còn tác dụng.
GTO có cấu tạo khác hơn cho phép kiẻm tra sự dẫn điện từ cực cổng .
Giá phải trả là hệ số khuếch đại dòng khi kích còn khá bé, khoảng vài chục.
Hệ số khuếch đại dòng khi tắt xấp xỉ mười. Người ta chế tạo được GTO có
dòng đònh mức đến vài ngàn ampe.
9. Bảo vệ ngắt bán dẫn:
a. Bảo vệ dòng:
Bảo vệ dòng cực đại (ngắn mạch): bảo vệ dòng cực đại làm việc ngay khi
có hiện tượng vượt quá dòng qui đònh, thường là rất lớn so với trò đònh mức. Bảo
vệ dòng cực đại còn gọi là bảo vệ ngắn mạch, xuất hiện ở ngõ ra hay bên trong
bộ biến đổi, là nguyên nhân gây ra quá dòng điện rất lớn cần loại bỏ ngay,
tránh hư hỏng ngắt điện bán dẫn và đảm bảo hoạt động bình thường của lưới
điện.
Cầu chì tác động nhanh được sử dụng, có thể đặt ở đầu vào bộ biến đổi
hay nối tiếp linh kiện được bảo vệ. Thông số đặc trưng của cầu chì la dòng, áp
đònh mức và tích phân dòng ngắn mạch để cầu chì chảy. Tích phân này cần
phải bé hơn tích phân tương tự để ngắt điện bán dẫn bò hư hỏng khi quá dòng

( ngắn mạch ), lấy ở sổ tra nhà sản xuất. Thời gian tích phân T thường là nửa
chu kì lưới cho SCR. Cuộn kháng nối tiếp anode của SCR đôi khi còn dùng để
hạn chế dòng ngắn mạch, sao cho dòng ngắn mạch bé hơn khả năng chòu đựng
của SCR.


CB (ngắt mạch tự động-aptomat) thường gặp ở ngõ vào các bộ biến đổi
làm các nhiệm vụ: đóng ngắt, bảo vệ quá tải và loại bỏ phần mạch hư hỏng ra
khỏi lưới điện, không có khả năng bảo vệ các phần tử bán dẫn công suất.
+ Bảo vệ quá tải (quá dòng có thời gian):
Quá tải là trường hợp dòng điện qua mạch lớn hơn giá trò tính toán một
lượng không lớn, nếu kéo dài sẽ gay hư hỏng do quá nhiệt ở các phần dẫn điện.
Như vậy đặc tính quá tải có dạng hyperbol, dòng quá tải càng lớn, thời gian
cho phép càng ngắn.
Bảo vệ quá tải được thực hiện bằng rơ le chuyên dùng tác động vào thiết bò
đóng ngắt tự động (contactor), CB (có rơ le nhiệt) ở đầu vào. Ở các bộ biến đổi,
bộ điều khiển thường tích hợp cả bộ phận hạn dòng, tác động tức thời ở 120%
đến 200% giá trò đònh mức thiết bò, làm cả nhiệm vụ bảo vệ quá tải cho ngắt
điện bán dẫn.
2. Bảo vệ áp:
Với việc chọn đònh mức áp của linh kiện bán dẫn công suất tối thiểu bằng
hai lần áp khoá cực đại, ngắt điện bán dẫn thường không phải bảo vệ áp khi
làm việc. Bảo vệ áp được đặt ra để chống lại các xung áp cảm ứng trên dây
dẫn nguồn hay xung xuất hiện do cảm ứng trên hệ thống khi có đóng ngắt.

µ
F

Ohm

Hình II.13 : Các mạch bảo vệ áp cho linh kiện đóng ngắt

Người ta thường dùng ở đầu nguồn: RC nối tiếp mắc song song (1), Varistor
là loại điện trở giảm nhanh khi áp lớn hơn trò số ngưỡng (2) và các bộ lọc nguồn
π

(3) gồm mắc lọc LC hình .
Mạch RC song song với các ngắt điện (mạch snubber) còn làm nhiệm vụ
bảo vệ linh kiện khỏi các xung áp trong mạch.


II. Bộ chỉnh lưu
1.Tổng quan về bộ chỉnh lưu:
Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện
một chiều. Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện áp một chiều ; làm
nguồn điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bò mạ, thiết bò hàn một
chiều ; nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều ; nguồn cung
cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ. Bộ
chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện xoay chiều thành dạng một chiều đề
truyền tải đi xa. Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bò biến tần,
cycloconverter dùng trong truyền động điện động cơ xoay chiều.
Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW.
Phân loại bộ chỉnh lưu :


Theo pha:
Bộ chỉnh lưu một pha.
Bộ chỉnh lưu ba pha.



Theo tính điều khiển :
Bộ chỉnh lưu không điều khiển
Bộ chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn.
Bộ chỉnh lưu bán điều khiển.



Theo hình dạng :
Bộ chỉnh lưu hình tia.
Bộ chỉnh lưu tam giác.



Theo diode zero :
Bộ chỉnh lưu có diode zero.
Bộ chỉnh lưu không có diode zero
So sánh các loại chỉnh lưu:



Biến áp:
Biến áp cách ly áp nguồn của chỉnh lưu với lưới điện. Do đó tải có thể chạy
ngắn mạch trong thời gian ngắn. Biến áp là bắt buộc trong trường hợp ta thực
hiện bộ nguồn cho các thiết bò công nghệ điện khi người công nhân có thể tiếp
xúc trực tiếp với thiết bò có điện.


Biến áp có tác dụng lọc sóng hài bậc cao. Đồng thời biến áp còn tạo cảm
kháng chuyển mạch, do đó hạn chế sự biến dạng gây ra của quá trình chuyển

mạch.
Truyền động điện là không bắt buộc dùng biến áp.
Biến áp cung cấp điện áp nguồn có độ lớn phù hợp với yêu cầu của tải.


Một hay nhiều pha:
Cân đối theo qui mô công suất : 1 pha đơn giản hơn nhưng làm lệch hệ thống
3 pha dùng cho công suất < 5KW hay rất << công suất hệ thống. Nhiều pha :
giảm sóng hài, dòng ra phẳng hơn.



Tia hay cầu:
Tia gắn liền vớisử dụng biến áp trung tính lưới về nguyên tắc là không sử
dụng.
Nhược điểm : rất lớn của sơ đồ tia 3 pha là dòng DC về lưới, chỉ dùng khi
công suất chỉnh lưu << lưới.
Hiệu suất sơ đồ cầu thấp khi điện áp ra thấp.
Sơ đồ cầu phức tạp, ampere lắp đặt gấp đôi sơ đồ tia giá thành cao hơn sơ đồ
tia tương ứng.
Cho phép sử dụng trực tiếp áp lưới.



Cầu hỗn hợp:
ϕ

Cầu hỗn hợp, dùng diode chỉnh lưu làm giảm giá thành, tăng cos , giảm hệ
số đập mạch (áp hài) khi áp ra không âm.
Một nhược điểm của cầu hỗn hợp là áp ra dương không chỉnh lưu được.

Nhược điểm lớn của cầu hỗn hợp là có hài bậc bội chẵn do dòng điện ở bán
kì dương không cạn xứng ở dòng có bán kì âm.
Cầu hỗn hợp chỉ dùng cho tải công suất nhỏ so với lưới.


Diode phóng điện (diode zero):
Việc sử dụng D0 tương tự như cầu không hoàn toàn nhưng không có nhược
điểm hài bội chẵn nhưng hệ thống không nghòch lưu được.
2. Tính chất liên tục của dòng điện tải và hệ quả:


Do điện áp chỉnh lưu ud tạo thành có dạng xung nên giá trò điện áp này có
thể tách làm hai thành phần: thành phần một chiều với trò tức thời bằng trò trung
bình áp chỉnh lưu Ud và thành phần xoay chiều:
u dδ = u d − U d

Thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu u d làm dòng điện tải id bò gợn sóng.
Tươngtự như điện áp, dòng chỉnh lưu có thể tách làm hai thành phần tương ứng:
i d = I d + i dδ

Thành phần xoay chiều của dòng làm dòng điện tải có thể bò gián đoạn. Khi
dòng qua tải bò gián đoạn, dạng điện áp chỉnh lưu của tải phụ thuộc vào trạng
thái mạch tải.
Ví dụ: đối với tải RLE khi id=0
ud=0 nếu E=0
≠

ud=E nếu E 0
Các hệ thức Ud dẫn giải cho dòng tải liên tục không áp dụng được cho trường
hợp dòng gián đoạn. Tỉ lệ phân bố thời gian dòng điện qua tải liên tục (i d > 0)

và thời gian dòng gián đoạn (id=0) trong một chu kì xung điện áp chỉnh lưu phụ
α

thuộc vào các giá trò tham số tải và góc điều khiển . Việc tính toán điện áp
chỉnh lưu trong trường hợp này rất phức tạp. Khi dòng tải gián đoạn, quan hệ
α

giữa điện áp chỉnh lưu và
không còn là duy nhất. Trong điều khiển, ví dụ
động cơ điện một chiều, khi dòng tải bằng 0, moment tác động triệt tiêu và việc
điều khiển tải không có tác dụng. Tác dụng dòng tải gián đoạn làm đặc tính
điều khiển trở nên phi tuyến, hiện tượng quá độ của hệ điều khiển khó hiệu
chỉnh, do đó trong kỹ thuật người ta cố gắng hạn chế vùng làm việc của bộ
chỉnh lưu ở chế độ dòng gián đoạn.
Tuy nhiên chế độ dòng tải gián đoạn thường ít xảy ra nên trong trường hợp
không có yêu cầu chính xác cao, việc tính toán đònh mức hệ thống có thể vận
dụng từ kết quả tính cho dòng điện tải liên tục.
3. Mạch lọc áp tải và dòng tải
Để hạn chế thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu và do đó làm giảm độ
gợn sóng dòng tải, ta có thể:


1. Tăng số xung kích chỉnh lưu, ví dụ sử dụng mạch nhiều pha, dạng cầu.
2. Dùng tụ lọc.
3. Dùng cảm kháng lọc .
4. dùng diode không mạch điều khiển bán phần.
Phương pháp tụ lọc chỉ dùng cho tải công suất nhỏ. Với công suất lớn ta có
thể sử dụng các phương pháp còn lại.
4. Hiện tượng chuyển mạch
Trong các phần trước, bộ chỉnh lưu được phân tích với giả thiết bỏ qua trở

kháng trong của nguồn áp. Hậu quả là quá trình chuyển mạch giữa các nhánh
chứa thyristor diễn ra tức thời. Trong thực tế, nguồn có trở kháng trong làm
dòng điện qua nó không có thể thay đổi đột ngột. Hệ quả, hiện tượng chuyển
mạch giữa các nhánh chứa các thyristor không diễn ra tức thời mà kéo dài một
khoảng thời gian, hình thành trạng thái các nhánh chứa thyristor cùng dẫn điện.
Hiện tượng này gọi là hiện tượng trùng dẫn hoặc hiện tượng chuyển mạch.


Các hệ quả do hiện tượng chuyển mạch gây ra:
-

Làm giảm áp tải trong thời gian chuyển mạch.
Làm giảm góc điều khiểncực đại cho phép.
Làm biến dạng điện áp nguồn.

5. Phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu:
Thời điểm phát xung kích cho các thyristor trong các bộ chỉnh lưu tương ứng
với góc điều khiển dựa vào hai tín hiệu cơ bản tín hiệu điều khiển u đk và tín
hiệu đồng bộ up.
Tín hiệu đồng bộ tạo mốc chuẩn về thời gian cho việc xác đònh góc điều
khiển đồng thời xác lập đặc tính giữa áp chỉnh lưu trung bình U d và áp điều
khiển k. Do đó, tín hiệu được chọn thay đổi trong khoảng thời gian xuất hiện
điện áp khoá trên linh kiện và nó phải dựa vào dạng điện áp nguồn xoay chiều.
Tín hiệu điều khiển xác đònh điểm làm việc trên đặc tính điều khiển và cho biết
độ lớn góc điều khiển. Cả hai tín hiệu điều khiển và tín hiệu đồng bộ trên có
thể xử lí dựa trên kó thuật số hoặc analog.
6. Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn:


Sơ đồ cấu tạo:

udA
u1
u2

id
uV1
V1

V3 V5

R

iV1
L

u
udK

ud

E
V4

V6 V2

Mạch nguồn xoay chiều ba pha lý tưởng mắc vào bộ chỉnh lưu cầu gồm 6
thyristor. Các điện áp udA ,udK là điện áp từ điểm nút chung của các nhóm linh
kiện đến điểm trung tính của nguồn áp ba pha.


Phân tích :
Mạch điện được phân tích với giả thiết dòng điện qua tải i d liên tục. Theo phép
cộng điện áp, ta có:
ud = udA –udK
Ta sẽ chứng minh rằng nếu dòng tải liên tục, điện áp u dA sẽ chỉ phụ thuộc
vào góc kích đóng của nhóm linh kiện ( V 1, V3, V5 ) và điện áp nguồn; và áp u dK
phụ thuộc góc kích đóng của ngóm (V2 ,V4 ,V6 ).
Thật vậy, xét nhóm anode (V1, V3, V5), giả sử rằng V1 đóng và V3, V5 bò
ngắt,ta có:
iV1=id ; iV3 =0 ; iV5 = 0.
uV1 = 0 ;uV3 = u2 –u1 ; uV5=u3 – u1 ; udA = u1.
Rõ ràng, các hệ thức mô tả điện áp nhóm anode không phụ thuộc vào trạng
thái kích đóng các thyristor nhóm cathode. Do đó, để khảo sát điện áp u dA, ta
chỉ cần xét đến trạng thái kích đóng cùa các thyristor (V1 ,V3 ,V5).


Các hệ thức mô tả điện áp nhóm anode có dạng giống như mạch chỉnh lưu
tia ba pha với áp chỉnh lưu udA, (hình 2.6). Góc điều khiển
tính từ vò trí xuất hiện áp khóa trên V1 tức uV1= u1 – u3>0.

α

ví dụ của V1, được

Tương tự, hoạt động nhóm cathode có thể phân tích dưới dạng chỉnh lưu
mạch tia ba pha với áp chỉnh lưu u dK. Góc điều khiển, ví dụ của V 2 được tíng từ
vò trí xuất hiện điện áp khóa trên V2, tức:
uV2 = u2 – u3 > 0

u1

V1 V3 V5
u1

u2

u2

u

udA

udK

u
V4 V6 V2

NHÓM ANODE

NHÓM CATHODE

Phương trình điện áp tải và dòng tải
ud = udA - udK
ud = R.id + L.

di d
dt

+E

Tổng hợp các kết quả phân tích ở trên, ta có thể viết phương trình mô tả

trạng thái mạch, ví dụ khi V1, V2 đóng:
uV1 = 0 ; uV2 = 0 ; uV3 = u2 – u1 ; uV4 = u3 – u1 ;
iV1 = id ; iV2 = id ; iV3 = 0 ; iV4 = 0 ;
uV5 = u3 – u1 ; uV6 = u3 –u2 ;
iV5 = 0 ; iV6 = 0 ;
ud = udA – udK = u1 –u3 ;


di d
dt

ud = R.id + L.
+E;
Đồ thò điện áp và dòng điện các đại lượng mạch được vẽ trên hình


Hệ quả: Khi dòng điện tải liên tục:
-Dạng điện áp tải có 6 xung và chỉ phụ thuộc vào góc điều khiển và điện áp
nguồn xoay chiều. Chu kỳ xung chỉnh lưu bằng
-Trò trung bình điện áp chỉnh lưu:

α

Ud ( ) =
=

1
2π
6

α0 +

∫α

3 6
π

2π
6

0

u d dX

.U.cos

α

α

1
6

= UdA( ) – UdK( ) =

chu kì áp nguồn Tp =

3 3
π

Umcos

1
6

T.

α

α
Um

Với U là trò hiệu dụng áp pha U =
-Phạm vi góc điều khiển
chỉnh lưu mạch tia, tức (0,

α

π

2

.

: bằng phạm vi góc điều khiển của các nhóm

). Do đó, điện áp trung bình trên tải có thể điều

 3 6
3 6 

.U ,
.U 
−
π
 π


khiển thay đổi trong khoảng
Dòng trung bình qua tải (RLE):

.

U dα − E
R

I dα
=

;

Mỗi thyristor dẫn
ITAV =

Id
3

1
3

chu kì áp nhuồm nên trò trung bình dòng điện qua nó:

;

Điện áp khóa và áp ngược cực đại xuất hiện trên linh kiện
UDRM = URRM =

3

.Um =

6

.U ;


-Dòng điện qua nguồn điện áp, ví dụ qua pha 1:
i1 = iV1 – iV4 ;
Trò hiệu dụng điện qua nguồn được xác đònh với giả thiết dòng tải không
đổi:
 1
I=
 2π

∫

2π

0



i dX 

2
d

1/ 2

=

2
.I d
3

;


α
α