Điện tử công suất và một số ứng dụng

T r ờ n g đạ i h ọ c v in h
Khoa vật lý
--------------

điện tử công suất
và một số ứng dụng

luận văn tốt nghiệp đại học
Ngành vật lý

Cán b ộ h ớng d ẫn :
Sinh viê n thự c hiệ n
Lớp : 4 2 E L ý

Vinh, 2006

1

Dơng Kháng
: nguyễn văn nam


MụC lục
Lời nói đầu

1

Chơng 1
Các phần tử bán dẫn công suất

I. Điốt

1.
2.
3.
4.

Cấu
Đặc
Đặc
Các

tạo và ký hiệu điốt
tính Vôn - Ampe của điốt
tính đóng cắt của điốt
thông số cơ bản của điốt

II. Thyistor
1. Cấu tạo và ký hiệu
2. Đặc tính Vôn Ampe của
6
2.1.Trờng hợp dòng điện vào (I G =0)
2.2 Trờng hợp có dòng điện vào cực điều khiển
3. Mở và khoá thyristor
3.1 Mở thyristor
3.2 Khoá thyristor
4. Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển thyristor
5. Các thông số cơ bản của thyristor
6. Tốc độ tăng dòng cho phép
III. Triac
IV. GTO (Gate Turn Off Thyristor)
V. Transistor công suất (Bipolar Transistor)

1. Cấu trúc và ký hiệu Transistor
2. Đặc tính động của một khoá Transistor
2.1. Sự tạo thành trớc của xung
2.2. Sự tạo thành sờn sau của xung
3. Tóm tắt các thông số cơ bản của Transistor
VI.

Transistor trờng Mosfet (Matal
Semiconductor Field Effect Transistor)
1. Cấu trúc và ký hiệu
2. Nguyên lý hoạt động
2

2
2
3
4
.5
5
5
thyristor
...6
6
6
6
7
7
8
8
9

10
11
11
11
11
...12
13

Oxide
13
13
13


3. Đặc tính của khoá Mosfet

14

Chơng 2
chỉnh lu điốt và chỉnh lu có điều khiển

Phần 1
I . Sơ đồ chỉnh lu điốt một pha nửa chu kỳ
1. Khi tải là R thuần trở
2. Khi tải là R + L
3. Khi tải là R + E

15
15
16

17

II. Sơ đồ chỉnh lu điốt một pha loại nửa chu kỳ
1. Khi tải là R thuần trở
1.1. Khi tải là R + L ; R + E
1.1.1. Tải là R + L
1.1.2. Tải là R + E
2. Sơ đồ cầu

. .18
18
20
20
20
21

III . Sơ đồ chỉnh lu điốt ba pha

22

IV. Thiết kế chỉnh lu điốt
Phần 2

23

chỉnh lu tiristor
I. Mạch khống chế pha 90 0 dùng tiristor

24

II. Mạch khống chế pha 180 0 dùng tiristor

25

III. Sơ đồ chỉnh lu tiristor một pha, nửa chu kỳ

. .26

Iv. Sơ đồ chỉnh lu tiristor một pha, hai nửa chu kỳ
V. Sơ đồ chỉnh lu tiristor ba pha

27

1. Sơ đồ ba pha hình tia
2. Sơ đồ cầu ba pha
3. Sơ đồ cầu không đối xứng

28
28
28
30

Chơng 3
nghịch lu

I. Nghịch lu phụ thuộc
1. Nghịch lu phụ thuộc trong sơ đồ tia một pha
1.1. Đặc tính tổng quát
1.2. Đặc tính tới hạn
1.3. Công suất một chiều đ a trả về lới điện

3

31
31
32
33
.....33


1.4. Điều kiện thực nghịch l u phụ thuộc
2. Nghịch lu phụ thuộc, sơ đồ cầu một pha
3. Nghịch lu phụ thuộc, sơ đồ tia ba pha
4. Nghịch lu phụ thuộc, sơ đồ cầu ba pha

II. Nghịch lu độc lập

. .33
. .33
33
34
34

1. Các vấn đề chung
1.1. Nghịch lu độc lập là gì?
1.2. Các dạng nghịch lu độc lập
1.3. Nguồn áp, nguồn dòng
2. Nghịch lu độc lập nguồn dòng
2.1. Nghịch lu độc lập nguồn dòng song song một pha
2.1.1. Sơ đồ biến áp có điểm giữa
2.1.2. Nghịch lu độc lập song song, sơ đồ cầu

2.1.3. Nghịch lu độc lập nguồn dòng ba pha
3. Nghịch lu độc lập nguồn áp
3.1. Nghịch lu độc lập nguồn áp một pha
3.2. Điều chỉnh điện áp ra
3.3. Nghịch lu độc lập nguồn áp ba pha

34
34
. .35
35
...35
35
35
36
...36
. .37
37
38
38

Chơng 4
một số sơ đồ ứng dụng của điện tử công suất
1. Sơ đồ bộ đếm quay vòng
40
2. Sơ đồ hạn chế dòng điện tải
41
3. Sơ đồ ổn áp xoay chiều một pha
42
4. Sơ đồ bảo vệ ngắn mạch và tự động đóng mạch
43

Chơng 5
Thực hiện lắp ráp mạch điện ứng dụng

Đèn trang trí nhấp nháy kiểu đa hài dùng tranzito
1. Cơ sở lý thuyết
2. Nguyên lý làm việc
3. Kết quả thực nghiệm
Kết luận

44
44
45
46

47
Lời nói đầu

4


Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỷ thuật điện tử nghiên
cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong sơ đồ các bộ biến đổi
nhằm biến đổi và khống chế nguồn năng lợng điện với các tham số không
thay đổi đợc thành nguồn năng lợng điện với các tham số có thể thay đổi đợc, cung cấp cho các phụ tải điện.
Điện tử công suất đợc ứng dụng rộng rải trong hầu hết các nghành
công nghiệp hiện đại nh truyền điện động tự động, giao thông đờng sắt, nấu
luyện thép gia nhiệt cảm ứng, các quá trình điện phân trong công nghiệp hoá
chất ,.
Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn

công suất đã có những tiến bộ vợt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn
đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhỏ, nhiều tính năng và sử
dụng càng dễ dàng hơn.
Trong quá trình thực hiện đề tài này em đã hết sức cố gắng tìm tòi và
nghiên cứu, nhng do khả năng và thời gian cũng nh nguồn tài liệu đang còn
hạn hẹp, mà đề tài này đề cập đến một môn khoa học kỷ thuật hiện đại, đang
phát triển nên khó tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vì vậy rất mong đ ợc
sự góp ý, chỉ bảo của các quý thầy cô cũng nh các bạn sinh viên. Đề tài đợc
chia làm 5 chơng.
Chơng 1: Một số phần tử bán dẫn công suất.
Chơng 2: Chỉnh lu dùng điốt và chỉnh lu có điều khiển.
Chơng 3: Trình bày về nghịch lu.
Chơng 4: Các ứng dụng điển hình của điện tử công suất.
Chơng 5: Thực nghiệm ứng dụng.
Em xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ nhiệt tình của các giáo viên
khoa Vật Lý trờng ĐH Vinh, đặc biệt là thầy giáo Dơng Kháng và (thầy
giáo, Nguyễn Thế Tân hớng dẫn thí nghiệm) đã tận tình hớng dẫn giúp đỡ
em hoàn thành đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, 2006
SV: Nguyễn Văn Nam

Chơng I
5


các phần tử bán dẫn công suất
I. Điốt

Điốt là phần tử bán dẫn cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp p-n. Điốt có hai

cực anốt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, katốt K là cực nối với lớp bán
dẫn kiểu n. Dòng điện chỉ chạy qua điốt theo chiều từ A đến K Khi điện áp
UAK dơng. Khi UAK âm dòng qua điốt gần nh bằng không.
Điốt đợc chế tạo từ tinh thể Silic (Si) thuộc nhóm IV của bảng tuần
hoàn các nguyên tố hoá học.
1. Cấu tạo và ký hiệu của điốt

Trên tinh thể Silic, bằng công nghệ khuếch tán dới nhiệt độ và áp suất
thích hợp một lợng nhất định các nguyên tử thuộc nhóm V (có 5 điện tử ở
lớp ngoài cùng). Ngời ta tạo ra lớp bán dẫn kiểu n, trong đó trong cấu trúc
mạng tinh thể gồm 4 điện tử hoá trị của Silic sẽ có các nút bị thừa ra một
điện tử, nghĩa là lớp n sẽ giàu các electron tự do, hay các hạt mang điện tích
âm. Cũng trên cùng tinh thể bán dẫn Silic đó cho khuếch tán dới nhiệt độ và
áp suất thích hợp một lợng nhất định các nguyên tử thuộc nhóm III (có 3
điện tử ở lớp ngoài cùng), ngời ta tạo ra lớp bán dẫn kiểu p, trong đó trong
cấu trúc mạng tinh thể gồm 4 điện tử hoá trị của Silic sẽ có các nút bị thiếu
một điện tử, tạo thành các ion dơng với điện tích dơng. Lớp p và n kề sát
nhau tạo thành một tiếp giáp p-n.
2. Đặc tính vôn- ampe của điốt
6


Đặc tính gồm 2 phần: Phần đặc tính thuận nằm trong góc phần t thứ
nhất tơng ứng với UAK > 0.

Phần đặc tính ngợc nằm trong góc phần t thứ ba, tơng ứng với
UAK < 0.
Trên đờng đặc tính thuận nếu điện áp Anốt - Catốt U AK đợc tăng dần từ
0 cho đến khi vợt qua giá trị U AK 0,6 ữ 0,7 V gọi là điện áp rơi trên điốt
theo chiều thuận, dòng qua điốt có thể có giá trị lớn nhng điện áp rơi trên

điốt thì hầu nh không thay đổi.
Nh vậy đặc tính thuận của điốt đặc trng bởi tính chất là có điện trở tơng đơng nhỏ.
Trên đờng đăc tính ngợc nếu điện áp Anốt, Katốt U AK đợc tăng dần từ
không cho đến giá trị U ng..max gọi là điện áp ngợc lớn nhất thì dòng qua điốt
chỉ có thể có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò. Cho đến khi U AK đạt đến giá trị
Ung.max thì dòng qua điốt tăng đột ngột. Nh vậy khả năng cản trở dòng của
điốt theo chiều ngợc đã bị phá vở. (nghĩa là nếu ta giảm điện áp thì dòng
điện cũng không giảm đi). Đây là hiện tợng điốt bị đánh thủng.

7


Để phân biệt giá trị dòng điện lớn trên đờng đặc tính thuận với giá trị
dòng điện nhỏ trên đờng đặc tính ngợc ta ghi đơn vị A ở nửa trên trục dòng
điện và mA ở nửa dới trục dòng điện.
Trong tính toán thực tế ta thờng dùng đặc tính gần đúng, đã tuyến tính
hoá của điốt.
u = UD,0 + iDRD.
UD,0 [V ]; iD [A]; RD [].
Theo đặc tính lý tởng điện trở tơng đơng của điốt bằng 0 theo chiều
thuận và bằng theo chiều ngợc.
3. Đặc tính đóng cắt của điốt
Khác với đặc tính Vôn - Ampe là đặc tính tỉnh, đặc tính U(t); I(t) là
đặc tính cho thấy điện áp và dòng điện đi qua điốt theo thời gian, gọi là đặc
tính động (Đóng - Cắt).
Khoảng (1), (6) điốt ở trạng thái khoá, với điện áp phân cực ng ợc và
dòng điện bằng 0.
Khoảng (2) điốt bắt đầu vào dẫn dòng, dòng điện ban đầu nạp điện
tích cho tụ điện tơng đơng của tiếp giáp p-n phân cực ngợc làm cho điện áp
U(t) trên điốt tăng đến vài vôn. Khi U(t) trở nên dơng, tiếp giáp p-n đợc phân

cực thuận và điện áp trên điốt trở nên ổn định ở mức sụt áp UD,0,

cỡ 1-

1,5V.
Khoảng (3) điốt ở trong trạng thái dẫn. Quá trình khoá điốt bắt đầu ở
khoảng (4) điốt vẫn còn đợc phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong
lớp tiếp giáp p-n đợc di tản ra ngoài. d(i)/d(t) tốc độ tăng của dòng ngợc.
ở cuối giai đoạn (4) tiếp giáp p-n trở nên phân cực ngợc và điốt có thể
phục hồi khả năng ngăn cản điện áp ngợc của mình ở cuối giai đoạn (5).
Dòng điện i(t) gần bằng điện tích di tản ra ngoài Qr .(Qr: lợng điện tích phuc
hồi).
Thời gian tr giữa đầu giai đoạn (4) đến cuối giai đoạn (5) gọi là thời
gian phục hồi và là 1 trong những thông số quan trọng của điốt.

8


4. Các thông số cơ bản của điốt
Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua điốt theo chiều
thuận, ID.
Giá trị điện áp ngợc lớn nhất mà điốt có thể chịu đựng đợc, Ung, max.
UAK < = Ung, max. Tần số; Thời gian phục hồi, t r.
II. Thyristor

1. Cấu tạo và ký hiệu

9

H1.4 Thyristor
2. Đặc tính Vôn-Ampe của thyristor
Gồm hai phần: Phần thứ nhất nằm trong góc phần t thứ I là đặc tính
thuận tơng ứng với điện áp U AK. Phần thứ hai nằm trong góc phần t thứ III
gọi là đặc tuyến ngợc, tơng ứng với trờng hợp UAK < 0.
2.1 Trờng hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (I G=0)
K h i d ò n g v à o cự c đi ề u k h i ể n t hy r i s t o r b ằ n g 0 h a y k hi h ở
m ạ ch cự c đ i ề u k h i ể n t h y r i s t o r s ẽ cả n t r ở d ò n g đ i ệ n ứ n g v ớ i cả
ha i t r ờ n g h ợ p p h â n cự c đ i ệ n á p g i ữa A n ố t và K a t ốt .
2.2. Trờng hợp có dòng điện vào cực điều khiển (I G >0)
Nếu có dòng điều khiển đa vào giữa cực điều khiển và katốt thì quá
trình chuyển điểm làm việc trên đờng đặc tuyến thuận sẽ xẩy ra sớm hơn, trớc khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, U th, max.
Nói chung nếu điều khiển lớn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ
xẩy ra với UAK nhỏ hơn.
3. Mở và khoá thyristor
Thyristor có đặc tính giống nh điốt, chỉ cho phép dòng chạy qua theo
một chiều, từ Anốt đến Katốt và cản trở dòng chạy theo chiều ngợc lại.
Khác với điốt, để thyristor có thể dẫn dòng ngoài điều khiển phải có
điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác. thyristor đ ợc coi là
phần tử bán dẫn có điều khiển còn điốt là phần tử không điều khiển đợc.
3.1. Mở thyristor
Khi phân cực thuận, U AK > 0, thyristor có hai cách mở:
C1: Có thể tăng điện áp Anốt - Katốt cho đến khi đạt đến giá trị điện
áp thuận lớn nhất, U th, max khi đó điện trở tơng đơng trong mạch
Anốt - Katốt sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch
ngoài xác định cách này ít đợc sử dụng.
C2: Đa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều
khiển và Katốt, xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái thyristor từ
trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp Anốt - Katốt nhỏ.

10


Nếu dòng qua Anốt - Katốt lớn hơn một giá trị nhất định thì thyristor
tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của
xung dòng điều khiển nửa.
3.2. Khoá thyristor
Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện
giảm xuống, nhỏ hơn giá trị duy trì, I dt.
+r

Qr = idt
0

Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của
thyristor, thời gian phục hồi xác định giải tần số làm việc của thyristor, t r có
giá trị cở 5 - 50às đối với các thyristor tần số cao và cở 50 - 200às đối với
các thyristor tần số thấp.
4. Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển thyristor

H1.5 Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển
Quan hệ giữa điện áp trên các cực điều khiển và Katốt và dòng điện đi
vào cực điều khiển xác định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển thyristor.

11


Giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhất, ứng với một nhiệt độ môi
trờng nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để mở đợc chắc chắn
thyristor.

Nếu tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộng càng ngắn thì công
suất cho phép có thể càng lớn.
5. Các thông số cơ bản của thyristor
Giá trị trung bình cho phép chạy qua thyristor, I V,trb.
Giá trị điện áp ngợc lớn nhất cho phép đặt lên thyristor
UAK Ung,max.
Thời gian phục hồi tính chất khoá của thyristor, t r (às).
Tốc độ thyristor tăng điện áp cho phép,

dU V
( ).
dt às

Tốc độ thyristor tăng điện áp là thông số phân biệt thyristor tần số
thấp với các thyristor tần số cao.
ở thyristor tần số thấp

dU
V
50 200
dt
às
ở thyristor tần số cao

dU
V
500 2000
dt
às
6. Tốc độ tăng dòng cho phép,

dI
A
(
)
dt à
s

Tốc độ tăng dòng cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp.

dI
A
=
500 ữ
2000
dt
à
s
12


Với các thyristor tần số cao.
III. Triac

Cấu trúc và ký hiệu:

dI
A
=
50 ữ

100
dt
à
s
Là phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n nh
ở thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T 1 và T2 do đó có thể dẫn dòng theo
cả hai chiều giữa T 1 và T2.
Triac có thể coi nh tơng đơng với hai thyristor đấu song song ngợc.
Triac có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dơng lẫn xung
âm tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn.
Trong thực tế đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac thì duy
trì dòng điều khiển âm là tốt hơn cả.
Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay
chiều.
IV. GTO (Gate Turn Off thyistor)

GTO nh tên gọi của nó nghĩa là khoá lại đợc bằng cực điều khiển. Cấu
trúc bán dẫn GTO phức tạp hơn so với các thyistor thờng.
Cấu trúc và ký hiệu:

13


Cấu trúc bán dẫn GTO lớp p, Anốt, đợc bổ sung các phần tử bán dẫn
kiểu n. Dấu + ký hiệu kiểu dẫn điện p (lỗ) hoặc n (điện tử) chỉ ra rằng mật
độ các hạt mang điện tích tơng ứng làm giầu thêm kết quả là các vùng đó sẽ
có điện trở suất nhỏ.
GTO đợc điều khiển mở bằng cách cho dòng điện vào cực điều khiển
giống nh thyistor thờng. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nên dòng duy
trì ở GTO cao hơn so với thyistor thờng.

Có thể mở điều khiển mở bằng các xung ngắn, công suất điều khiển là
không đáng kể.
Để khoá GTO một xung dòng phải đợc lấy ra từ cực điều khiển.Xung
dòng điện để khoá GTO có thể phải có biên độ rất lớn, I G,max = 0,2 - 0,25
xung dòng phải có độ dốc sờn xung rất lớn, biên độ 0,5 ữ 1às.
V. Transistor công suất (Bipolar Transistor)

1. Cấu trúc và ký hiệu transistor

14


Transistor là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p
(bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngợc) tạo nên 2 tiếp giáp p-n. Phần lớp các
transistor công suất lớn có cấu trúc n-p-n. Transistor có 3 cực: bazơ(B);
collectơr(C); emiter(E).

H1.8 Transistor
2. Đặc tính động của 1 khoá Transistor
Đặc tính động của 1 transistor đợc xét đến qua dạng của điện áp và
dòng điện qua transistor khi tín hiệu điều khiển điện áp U s(t), có dạng bớc
nhảy chữ nhật.
UC(t), iC(t) trên transistor bị trễ so với dạng điện áp điều khiển U 8(t)
thời gian là t0m(2) và tok(6).
Sờn trớc và sờn sau của xung đều chỉ hình thành sau các khoảng thời gian
tm(3) và tk(7).
2.1. Sự tạo thành sờn trớc của xung
Thời gian trễ to m (khoảng (2) ) ở sờn trớc của xung tồn tại là do khi
bắt đầu tín hiệu điều khiển nhảy từ -U B2 lên UB1
Còn một thời gian nạp điện cho tụ : C đầu vào = CBE + CBC.

15


Sên tríc cña xung (kho¶ng(3), (4)) b¾t ®Çu h×nh thµnh sau khi kÕt thóc
thêi gian trÔ t 0m.

I B1

U B1 −U *
=
RB

H.1.9 §Æc tÝnh ®éng
2.2. Sù t¹o thµnh sên sau cña xung

16


Là các (khoảng (6), (7), (8) ). Trong thời gian transistor mở bảo hoà
điện tích tụ không chỉ trong lớp bazơ mà còn trong cả lớp colectơ.
Thời gian trễ càng nhỏ nếu I B2 càng nhỏ và IB2 càng lớn.

I B2

U B 2 U *
=
RB

Sờn sau của xung đợc xác định chủ yếu bởi hằng số thời gian C HRC.

3. Tóm tắt các thông số cơ bản của Transistor
Dòng điện collector cho phép lớn nhất I c, max.
Đặc tính công suất giới hạn cũng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng.
Hệ số khuếch đại dòng điện .
Thời gian trễ lúc đóng cắt và các thời gian tạo sờn trớc, sờn sau thờng
gộp chung thành thời gian mở và thời gian khoá t m, tk.
Vi. Transistor trờng - MOSFET (Matal - Oxide -Semiconductor
Field - Effect Transistor)
1. Cấu trúc và ký hiệu
H.1.10 Transistor trờng

Transistor trờng là phần tử điều khiển bằng điện áp -> công suất điều
khiển là không đáng kể -> điều khiển trực tiếp transistor bởi đầu ra của các
vi mạch công suất nhỏ.

17


2. Nguyên lý hoạt động

H1.11 Nguyên lý hoạt động transistor trờng
Mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET.
Trong chế độ làm việc bình thờng UDS > 0. Nếu cực áp điều khiển và
cực gốc bằng 0. U DS = 0.
Kênh dẫn hoàn toàn không xuất hiện và giữa cực gốc với cực máng sẽ
làm tiếp giáp p-n phân cực ngợc -> dòng qua cực gốc và cực máng sẽ là rất
nhỏ.
Nếu UDS < 0 -> vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lổ (p)
-> dòng điện giữa cực máng và cực gốc hầu nh không có.
Nếu UDS > 0 vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, nh

một kênh dẫn thực sự đợc hình thành.
Dòng điện và cực máng và cực gốc bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện
áp UDS.
Giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n tơng đơng với một
điốt ngợc nối giữa D và S.
Ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn một điốt nội tại.
3. Đặc tính của một khoá MOSFET

18


Đặc tính tĩnh một khoá MOSFET, sự phụ thuộc của dòng cực máng ID
vào điện áp điều khiển U GS ứng với các điện áp U DS khác nhau. Để điều khiển
đóng cắt một MOSFET chỉ cần làm xuất hiện hoặc làm mất đi kênh dẫn giữa
cực gốc và cực máng do đó quá trình quá độ diễn ra rất nhanh.
Không giống nh phần tử bán dẫn công suất khác các thông số cơ bản
để chọn một MOSFET là điện trở thuần và tổn hao công suất trong quá trình
dẫn là các thông số cơ bản.
MOSFET có tần số đóng cắt rất cao hơn hẳn so với transistor thờng và
transistor, khả năng chịu tải về dòng điện và điện áp thì kém hơn
500 ữ 600V.
Chơng II

chỉnh lu điốt và chỉnh lu có điều khiển
Phần 1 : Chỉnh lu Điốt
I. Sơ đồ chỉnh lu Điốt một pha, nửa chu kỳ

1. Khi tải là R thuần trở

19

H2.1 Tải R thuần trở
Trong khoảng 0 < < điện áp U2 > 0, tính cực dơng tại điểm A. Điốt
D mở để cho dòng chạy qua. Nếu xem điện áp rơi trên điốt U D = 0.
U d = R.i = 2 .U 2 sin
2U 2
sin
R

i=

Trong khoảng < < 2 điện áp U2 < 0, tính cực âm tại điểm A. Điốt
D bị khoá i = 0, U d = 0.

U 1. max = 2U 2
( Điốt D phải chịu điện áp ngợc với giá trị cực đại).
Trị trung bình của điện áp chỉnh lu bằng:
1
Ud =
2





2U 2 sin d =

0

2U 2
= 0,45U 2


(1)

Trị trung bình của dòng tải:
Id =

Ud
2U 2
=
R
.R

Trị hiệu dụng của dòng thứ cấp biến áp:
1
I = I2 =
2

2

2U 2 sin
U
0 R d = 22R

2. Khi tải là R +L
i=

R


sin( ) + sin .e x

R2 + X 2


2U 2

(2)

Khi = , dòng i=0, D bị khoá lại
sin( ) = sin .e



tg

20

(3)


Trong khoảng 0 < < 1 dòng i tăng từ từ do cuộn cảm L sinh ra suất
điện động tự cảm E có chiều ngợc lại với U2, L tích luỹ năng lợng.

H2.2 Tải là R+L
Trong khoảng 1 < < 2, dòng i suy giảm, suất điện động tự cảm e
tác động cùng chiều với U 2, L hoạn lại năng lợng Điốt mở cho dòng chạy
qua trong khoảng < < 2 khi U2 < 0.
Tự cảm E tác động cùng chiều với U 2, L hoạn lại năng lợng Điốt
mở cho dòng chạy qua trong khoảng < < 2 khi U2 < 0.
Kênh dẫn hoàn toàn không xuất hiện và giữa cực gốc với cực máng sẽ
làm tiếp giáp p-n phân cực ngợc -> dòng qua cực gốc và cực máng sẽ là rất
nhỏ.
Dòng điện tải chậm sau U 2 một góc , tg =

.L
.
R

Khi không có Dr điện áp chỉnh lu Ud có chứa một đoạn mang giá trị âm.
Khi có Dr, điện áp Ud mất đi đoạn mang giá trị âm.
Trong một chu ký, cuộn L tích luỹ đợc bao nhiêu năng lợng thì nó
hoàn lại bấy nhiêu.

21


3. Khi tải là R + E
H2.3 Tải là R+E

U 1m = 2U 2 + E
U 2 = 2 .U 2 sin = E
id =

2U 2 sin E
R

Trị trung bình của dòng chạy qua điốt và qua tải nh sau:
1
Id =
2

2

2U 2 sin E
2U 2
d =
(2 cos1 sin 1 ) (4)
R
2R




1

trong đó: = 2- 1; =2/T.
Trị hiệu dụng của dòng chảy qua điốt và qua tải, nếu chuyển gốc toạ
độ sang o.
ta có: i =
I = I2 =

2U 2 E
. cos

R
1
2

2





2

2U 2 E


d =
cos



R

2

2U 2 E
.
R
2T

Chú ý: Id, U1.m là những số hiệu chỉnh để chọn điốt.

II. Sơ đồ chỉnh lu Điốt một pha, hai nửa chu kỳ

22

(5)


1. Khi tải là R thuần trở

H2.4 Tải R thuần trở
Trong khoảng 0 < < , U21 dơng, U22 âm, D1 mở cho dòng chạy qua,
D2 khoá:
i21 = i D1 = id =

2U 2
sin
R

u D 2 = U 22 U 21 = 2 2U 2 sin
U im = 2 2U 2

Trong khoảng < < 2, U21 âm, U22 dơng, D2 mở, D1 khoá.

u D1 = 2 2U sin
Trị trung bình của điện áp chỉnh lu:
Ud =

2

1

2 2
U d d =
.U 2

2 0


(1)

Trị trung bình của dòng tải:
Id =

Ud 2 2
=
U2
R
.R

(2)

Trị trung bình của dòng chạy qua điốt:
1
ID =
2




0

I
2U 2
sin d = d
R
2

Trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp:
23

(3)


I 21 = I 22 =

U2
2R

=


Id
4

(4)

Trị tức thời của dòng thứ cấp:
i2 = i21 i22 =

2U 2

sin = I d sin
R
2

(5)

Trị hiệu dụng của dòng sơ cấp máy biến áp:
I1 =

m. .I d

(6)

2 2

Công suất biểu kiến của máy biến áp:
S 2 = 2U 2 I 21 = 1,74U d I d
S1 = U 1 I1 =

S =

U2
I 1 = 1,23U d I d
m

S1 + S 2
= 1,48Pd
2

Nhận xét: Các nửa cuộn dây thứ cấp cùng với điốt tơng ứng chỉ làm

việc nửa thới gian máy biến áp vẫn còn bị sử dụng tồi.
S=

S1 + S 2
= 1,48 Pd
2

1.1. Khi tải là R+L; R+E

H2.5 R+L; R+E
24


1.1.1. Tải là R+E
Nh ta đã biết chức năng của cuộn cảm L là tích luỹ năng lợng khi
dòng id tăng hoàn lại năng lợng khi dòng id suy giảm.
Phơng trình toán tử:
U d = L.
id = I 0 e

did
+ R.id = 2U 2 sin t
dt


R
X

R
.

X
+
.sin( ) + sin .e

R2 + X 2


2U 2

(1)

Trong đó: X = L, tg = X/L.
Đối với chu kỳ đầu tiên, 0 < < I0 = 0.
Nhận xét : Tại bất kỳ thời điểm nào luôn luôn có điện thế của điểm A
hoặc điện thế của điểm B lớn hơn điện thế của điểm M. Do vậy không sử
dụng điốt hoàn năng lợng Dr, vì nó chẳng bao giờ mở đợc cả.
1.1.2. Tải là R+E
Trong khoảng 0 < < , dòng id chỉ xuất hiên khi u21 > E.
id =

2U 2 sin E
R

Trị trung bình của dòng tải:
Id =

2 2U 2 cos1
(
. sin 1 )

R

T

Trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong các nửa cuộn dây thứ cấp biến
áp:


I 21 = I 22 =

2U 2 E
1 2
(i21 ) 2 d =
.

2 1
R
2T

2. Sơ đồ cầu

25