Giáo trình điện tử công suất 1

Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

CHƯƠNG I: LINH KIỆN CƠNG SUẤT
1. Diode Công Suất:
a. Cấu tạo:
P
P

P

- +
- +

N

q

N

d

-α 0 α

Hình 3. 1 Cấu tạo và ký hiệu của diode
Diode công suất là linh kiện bán dẫn có hai cực, được cấu tạo bởi một lớp bán dẫn
N và một lớp bán dẫn P ghép lại.
Silic là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn. Silic
có 4 điện tử thuộc lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử. Nếu ta kết hợp thêm vào một
nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài cùng có 5 điện tử thì 4 điện tử của nguyên tố này
tham gia liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và xuất hiện một điện tử tự do. Trong cấu
trúc tinh thể, các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện. Do điện tử có điện tích âm nên

chất này được gọi là chất bán dẫn loại N (negative), có nghóa là âm.
Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III mà có 3 nguyên tử thuộc nhóm
ngoài cùng thì xuất hiện một lổ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ trống này có thể nhận 1
điện tử, tạo nên điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện. Chất này được gọi là chất bán
dẫn loại P (positive), có nghóa là dương.
Trong chất bán dẫn loại N điện tử là hạt mang điện đa số, lỗ trống là thiểu số. Với
chất bán dẫn loại P thì ngược lại.
Ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép PN. Tại đây xảy ra hiện tượng khuếch tán. Các
lỗ trống của bán dẫn loại P tràn sang N là nơi có ít lỗ trống. Các điện tử của bán dẫn loại
N chạy sang P là nơi có ít điện tử. Kết quả tại mặt tiếp giáp phía P nghèo đi về diện tích
dương và giàu lên về điện tích âm. Còn phía bán dẫn loại N thì ngược lại nên gọi là vùng
điện tích không gian dương.
Trong vùng chuyển tiếp (-α,α) hình thành một điện trường nội tại. Ký hiệu là Ei và
có chiều từ N sang P hay còn gọi là barie điện thế (khoảng từ 0,6V đến 0,7V đối với vật
liệu là Silic). Điện trường này ngăn cản sự di chuyển của các điện tích đa số và làm dễ
dàng cho sự di chuyển của các điện tích thiểu số (điện tử của vùng P và lổ trống của vùng

14




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

N). Sự di chuyển của các điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngược hay dòng
điện rò.
b. Nguyên lý hoạt động:
E
Ei

i

P

N

P

U
+ (a)

N
U
- +
(b)

a) Phân cực thuận diode.
b) Phân cực ngược diode.
Hình 3.2 Phân cực cho diode
Khi đặt diode công suất dưới điện áp nguồn U có cực tính như hình vẽ, chiều của
điện trường ngoài ngược chiều với điện trường nội Ei. Thông thường U > Ei thì có dòng
điện chạy trong mạch, tạo nên điện áp rơi trên diode khoảng 0,7V khi dòng điện là đònh
mức. Vậy sự phân cực thuận hạ thấp barie điện thế. Ta nói mặt ghép PN được phân cực
thuận.
Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trường ngoài sẽ tác động cùng
chiều với điện trường nội tại Ei. Điện trường tổng hợp cản trở sự di chuyển của các điện
tích đa số. Các điện tử của vùng N di chuyển thẳng về cực dương nguồn U làm cho điện
thế vùng N vốn đã cao lại càng cao hơn so với vùng P. Vì thế vùng chuyển tiếp lại càng
rộng ra, không có dòng điện chạy qua mặt ghép PN. Ta nói mặt ghép PN bò phân cực
ngược. Nếu tiếp tục tăng U đến một giá trò ngưỡng Uz, các điện tích được gia tốc, gây

nên sự va chạm dây chuyền làm barie điện thế bò đánh thủng.
Đặc tính volt-ampe của diode công suất được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức sau:
⎛ eU
⎞
I = I s ⎜⎜ e kT − 1⎟⎟
⎝
⎠

(3.1)

Trong đó: IS : Dòng điện rò, khoảng vài chục mA, e = 1,59.10- 19 Coulomb, k =
1,38.10- 23 là hằng số Bolzmann, T = 273 + t0 : Nhiệt độ tuyệt đối (0 K), t0 : Nhiệt độ của
môi trường (0 C), U là điện áp đặt trên diode (V)
I

1
U

UZ
2

Uγ

Hình 3.3 Đặc tính volt-ampe của diode.

Đặc tính volt-ampe của diode gồm có hai nhánh:Nhánh thuận, nhánh ngược.

15

Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Khi diode được phân cực thuận dưới điện áp U thì barie điện thế Ei giảm xuống
gần bằng 0. Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ cho đến khi U lớn hơn khoảng 0,7 [V] thì I
tăng một cách nhanh chóng, đường đặc tính có dạng hàm mũ.
Tương tự, khi phân cực ngược cho diode, tăng U, dòng điện ngược cũng tăng từ từ.
Khi U lớn hơn khoảng 0,7 [V], dòng điện ngược dừng lại ở giá trò vài chục mA và được ký
hiệu là IS.
Dòng IS là do sự di chuyển của các điện tích thiểu số tạo nên. Nếu tiếp tục tăng U
thì các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với
điện trường tổng hợp, động năng của chúng tăng lên. Khi ⎢U ⎢ = ⎢UZ ⎢thì sự va chạm giữa
các điện tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao sẽ bẻ gảy được các liên kết nguyên tử
Silic trong vùng chuyển tiếp và xuất hiện những điện tử tự do mới. Rồi những điện tích tự
do mới này chòu sự tăng tốc của điện trường tổng hợp lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử
Silic. Kết quả tạo một phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng lên ào ạt và
sẽ phá hỏng diode. Do đó, để bảo vệ diode người ta chỉ cho chúng hoạt động với giá trò
điện áp: U = (0,7 → 0,8)UZ.
Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode phát nóng, chủ yếu
ở tại vùng chuyển tiếp. Đối với diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép là 2000C.
Vượt quá nhiệt độ này diode có thể bò phá hỏng. Do đó, để làm mát diode, ta dùng quạt
gió để làm mát, cánh tản nhiệt hay cho nước hoặc dầu biến thế chảy qua cánh tản nhiệt
với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện.
Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn diode làø: Dòng điện đònh mức Iđm (A), điện
áp ngược cực đại Uz ( V ), Điện áp rơi trên diode ΔU ( V )
Một số dạng của diode:

Hình 3.4 Một số dạng diode
c. Các tính chất động học:

Trong quá trình quá độ của diode, quá trình chuyển diode từ trạng thái dẫn sang
trạng thái ngắt có một ý nghóa rất quan trọng. Hiện tượng này gọi là ngắt hay chuyển
mạch diode. Khi dòng điện qua diode tắt nhanh (khoảng 10A/μs), quá trình ngắt sẽ không
diễn ra như đặc tuyến V-A, quá trình ngắt của diode như hình 3.5

16




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1
I

trr

Is
IrrM

Hình 3.5 Quá trình chuyển mạch của diode
Sau khi dòng điện I giảm về 0, dòng qua diode không tắt ngay mà vẫn tiếp tực dẫn
theo chiều ngược tới giá trò IrrM , sau thời gian ngắt trr, khả năng dẫn theo chiều ngược bò
mất, dòng điện qua diode giảm đột ngột về giá trò dòng điện ngược Is. Hệ quả của quá
trình này là công suất tổn hao khi chuyển mạch lớn. Giá trò tức thời của công suất tổn hao
được tính bằng tích số giữa điện áp và dòng điện qua diode khi chuyển mạch.

2. Transistor Công Suất:
a. Cấu tạo:
Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp: PNP hay NPN.
C

N

P

N

E

E

P

N

P

C

B
b – Cấu tạo của transistor PNP
E
B

B
a – Cấu tạo của transistor NPN
C
B
E
c – Ký hiệu của transistor NPN

C
d – Ký hiệu của transistor PNP

Hình 3.6 Cấu tạo và ký hiệu của transistor công suất

Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và phần thu. Vùng nền
(B) rất mỏng.

Hình 3.7 Một số dạng của transistor công suất
b. Nguyên lý hoạt động:
Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B - E (PN) là nguyên nhân làm cho vùng phát
(E) phóng điện tử vào vùng P (cực B). Hầu hết các điện tử (electron) sau khi qua vùng B
rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron
được giữ lại ở vùng B. Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát.
17




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

E
Emiter

N

C
p

•

••

pP

•

•

N

Colector

•

E

C

•

IE

•

Base

IE
RE

+

+

-

UEE

IC

UCC

RC

Hình 3.8 Sơ đồ phân cực transistor.
Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ và điện
áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C được phân cực ngược bởi điện áp UCC. Bản chất mối
nối B - C này giống như một diode phân cực ngược và điện kháng mối nối B - C rất lớn.
Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát IE. Dòng điện đo được trong
mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC trong một đơn vò thời gian là dòng cực
thu IC). Dòng IC gồm hai thành phần:
- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron ở cực phát tới cực thu.
Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là hằng số được tính trước đối
với từng transistor riêng biệt. Hằng số đã được đònh nghóa là α. Vậy thành phần chính của
dòng IC là αIE. Thông thường α = 0,9 → 0,999.
- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược lại khi IE = 0.
Dòng này gọi là dòng ICBO – nó rất nhỏ.
- Vậy dòng qua cực thu: IC = αIE + ICBO.
c. Đặc tuyến V- A của transistor:
Đặc truyến V – A của transistor mắc Emitter chung như hình 3.9. Đặc tuyến V-A

của transistor được chia ra làm 3 vùng: Vùng cấm, vùng khuếch đại và vùng bão hoà.
Ic
Vcc/R
Vùng bão hoà

VCE = Vcc – R.Ic

IB3 > IB2
IB2 > IB1

Đường tải tónh

Vùng khuếch
đại

IB1 >0
IB = 0
Vùng cấm

Vcc

VCE

Hình 3.9 Đặc tuyến V – A mạch Emitter chung
18




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Trong các ứng dụng của điện tử công suất lớn, người ta chỉ phân cực cho transistor
ở vùng bão hoà (IB lớn) và vùng cấm (IB = 0) mà không phân cực cho transistor ở vùng
khuếch đại.
Các thông số của transistor công suất: IC: Dòng colector mà transistor chòu được,
UCesat là điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa, UCEO: Điện áp UCE khi mạch bazơ để hở,
IB = 0, UCEX là điện áp UCE khi bazơ bò khóa bởi điện áp âm, IB < 0, ton: Thời gian cần
thiết để UCE từ giá trò điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ≈ 0, tf: Thời gian cần thiết để iC
từ giá trò IC giảm xuống 0, tS: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trò UCESat tăng đến giá trò
điện áp nguồn U, P: Công suất tiêu tán bên trong transistor. Công suất tiêu tán bên trong
transistor được tính theo công thức:
P = UBE.IB + UCE.IC.
- Khi transistor ở trạng thái ngắt: IB = 0, IC = 0 nên P = 0.
- Khi transistor ở trạng thái dẫn: UCE = UCESat.
Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn. Trong lúc chuyển mạch, điện
áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn. Tích của dòng điện và điện áp cùng
với 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.
d. Tính chất động của transistor:
Việc khảo sát các hiện tượng quá độ khi đóng ngắt của transistor có ý nghóa quan
trọng. Quá trình dòng colector khi kích dạng xung vuông cho transistor như hình 3.10
IB
t
IC

tON

tOFF

t

Hình 3.10 Đáp ứng của transistor khi kích bằng tín hiệu xung vuông.
Thời gian đóng tON và thời gian ngắt tOFF khoảng vài μs. Một hệ quả bất lợi của
trong hiện tượng chuyển mạch của transistor là tạo nên công suất tổn hao khi chuyển
mạch lớn do điện áp trên transistor khi chuyển mạch lớn và dòng điện chảy qua transistor
lớn. Công suất tổn hao trên
transistor khi chuyển mạch sẽ giới hạn tần số đóng ngắt của transistor.

3. Transistor Hiệu Ứng Trường (FET):
Transistor hiệu ứng trường FET (Field – Effect Transistor) được chế tạo theo công
nghệ Mos (Metal – Oxid – Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện
tử có công suất lớn. Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dòng điện, FET
được điều khiển bằng điện áp. FET gồm các cực chính: cực máng (Drain), nguồn
19




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

(Source) và cửa (Gate). Dòng điện máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa –
nguồn.
ID

ug = 9
Vùng
bão Vùng khuếch đạiug = 7.5
ug = 6 V
hoà

ug = 4.5
Vùng cấm

a. Đặc tuyến V - A

ug = 3

•

Máng
Cửa
•

•

•

VD

Nguồn

b.Ký hiệu FET kênh N

Hình 3.11 Đặc tuyến V – A và ký hiệu của FET
FET ở trạng thái ngắt khi điện áp cực cổng Ug < Uthrd (điện áp ngưỡng). Để FET ở
trạng thái dẫn, đện áp đặt vào cực G phải liên tục và lớn hơn điện áp ngưỡng. Dòng điện
chảy trong cực cổng là không đáng kể ngoại trừ dòng điện ở trạng thái quá độ. Khi cho
tín hiệu điều khiển mở và ngắt dòng qua FET, ở cực cổng sẽ xuất hiệu hiện tượng nạp và
phóng điện cho tụ điện ở cực cổng. Thờ gian phóng và nạp tụ thường rất nhỏ (khoảng vài
ns) tùy thuộc vào FET lón hay nhỏ. Điện trở trong của FET khi dẫn điện thay đổi tuỳ vào

khả năng chòu áp của FET do đó FET thường có đònh mức á thấp tương ứng với điện trở
trong nhỏ, tổn hao ít. Tuy nhiên, do FET có tần số đóng ngắt cao (thởi gian tON và tOFF
nhỏ ), nên ở đònh mức từ 300 ÷ 400 V, FET tỏ ra ưu điểm hơn so với BJT ở tần số vài chục
KHz.

4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor):
IGBT có ký hiệu và đặc tuyến V – A như hình 3.12:
C

Ic

G
E

VCE5
VCE4
VCE3
VCE2
VCE1
VCE

Hình 3.12 Ký hiệu và đặc tuyến V – A của IGBT.
Giống như MOSFET, IGBT có tổng trở ngõ vào rất lớn làm hạn chế công suất tổn
hao khi đóng ngắt. Giống như BJT, IGBT có sụt áp khi dẫn thấp và khả năng chòu điện áp
khóa cao và tương tự như GTO, IGBT có khả năng chòu được điện áp ngược cao. Tần số
đóng ngắt của IGBT rất cao và khả năng chòu tải lớn.

20

Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Hình 3.13 Một số dạng của IGBT

5. Thyristor:
a. Cấu tạo:
Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anode (A), kathode
(K) và cực điều khiển (G).
A

A

P

N

P

K

N

G
a. Cấu tạo của thyristor

A

K

G

G
b. Ký hiệu của thyristor

K
c. sơ đồ thay thế

Hình 3.14 Cấu tạo, sơ đồ thay thế và ký hiệu của thyristor
Về mặt lý thuyết thì tồn tại 2 loại cấu trúc của thyristor là PNPN và NPNP. Tuy
nhiên trong thực tế, người ta chỉ phát triển loại PNPN như hình vẽ. Thyristor gồm 1 đóa
Silic từ đơn 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 katốt là bằng đóa môlipđen hay tungsen có hệ số nóng chảy gần bằng với Gali. Cấu
tạo dạng đóa kim loại để dễ dàng tản nhiệt.

Hình 3.15 Một số dạng của thyristor
b. Hoạt động của thyristor:
- Phân cực thyristor:

a. sơ đồ phân cực thuận b. sơ đồ phân cực ngược

Hình 3.16 Sơ đồ phân cực thyristor
- Từ sơ đồ thay thế của thyristor ta thấy, khi thyristor bò phân cực ngược (Điện áp âm đặt
vào A,
21

Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

điện áp dương đặt vào K) thì Q1 và Q2 không thể dẫn nên không có dòng chảy qua
thyristor, khi đó thyristor ngắt.
- Khi được phân cực thuận nhưng chưa có dòng điện dưa vào cực G, Q2 do chưa có dòng
điều khiển nên Q2 không dẫn khi đó chưa có dòng chảy qua thyristor khi đó thyristor ở
trạng thái sẵn sàng dẫn. Khi ta cho vào cực G một dòng điều khiển IG thì Q2 dẫn. Khi T2
dẫn, dòng điện chảy qua Q2 chính là dòng cực B của Q1 do đó Q1 dẫn. Khi Q1 dẫn, dòng
Ic của Q1 sẽ đưa vào cực B của Q2. Khi Q1 và Q2 dẫn thì dòng điện chảy qua colector
của transistor này sẽ là dòng điện chảy vào bazơ của transistor kia vì thế chúng sẽ duy trì
lẫn nhau làm cho thyristor dẫn dòng ngay cả khi tín hiệu điều kiển IG không còn.
Thyristor chỉ có thể ngắt khi dòng điện chảy qua thyristor bằng không hoặc đặt điện áp
ngược lên thyristor vì vậy người ta gọi thyristor là linh kiện kích đóng.
c. Đặc tuyến V-A của thyristor:
I

Nhánh thuận

t

Uma VA

0
Nhánh ngược

Hình 3.17 Đặc tuyến V – A của Thyristor
Đặc tuyến V – A của thyristor gồm 2 nhánh: nhánh thuận và nhánh ngược. Ở
nhánh nghòch thì đặc tuyến V – A tương tự như của diode. Ở nhánh thuận, khi IG = 0 đặc
tuyến V – A tương tự như nhánh ngược, khi điện áp đặt lên thyristor lớn hơn giá trò Umax,

thì dòng điện chảy qua thyristor tăng nhanh, khi đó thiristor ở trạng thái mất điều khiển
và có thể bò phá hỏng. Khi IG ≠ 0, tuỳ vào giá trò của IG mà điện áp khóa sẽ thay đổi,
điện áp khóa sẽ giảm khi IG tăng và ngược lại.

6. Triac:
Triac là thiết bò bán dẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính volt-ampe đối xứng,
nhận góc mở α cho cả hai chiều. Triac được chế tạo để làm việc trong mạch điện xoay
chiều, có tác dụng như 2 SCR đấu song song ngược.
T2
N

N

T2

P
N
P

G

N

G
T1
a. Cấu tạo của triac

T1

b. Ký hiệu của triac

c. Sơ đồ tương đương

Hình 3.17 Cấu tạo và ký hiệu của triac

22




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Triac hoạt động tương tự như 2 thyristor nhưng cho dòng dẫn theo cả 2 chiều. Đặc
tuyến V-A của triac như hình 3.18.

I
Nhánh thuận

Umax
Umax VA

0
Nhánh ngược

Hình 3.18 Đặc tuyến V – A của triac

7. Ứng Dụng Của Các linh kiện công suất:
Các khoá điện tử được ứng dụng để làm thiết bò đóng cắt tần số cao trong các hệ
thống điều khiển tuần tự như đóng ngắt các van trong hệ thống điều khiển dùng khí nén,
đóng ngắt nguồn trong các hệ thống điều khiển nhiệt độ … Ưu điểm khi dùng khoá điện tử

so với khoá điện từ và khoá cơ là khoá điện tử không sinh hồ quang khi đóng ngắt và tần
số đóng ngắt cao hơn. Đặc biệt, các khoá điện tử được dùng để làm các bộ biến đổi công
suất để tạo ra các dạng nguồn công suất lớn cung cấp cho phụ tải như: Chỉnh lưu, nghòch
lưu, biến đổi điện áp một chiều, biến đổi điện áp xoay chiều ….

23




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

CHƯƠNG II: CHỈNH LƯU
I. CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN:
1. Trò Trung Bình Của Một Tín Hiệu:
Gọi i(t) là một tín hiệu biến hiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T, trò trung
bình của i(t) viết tắt là Id được xác đònh theo hệ thức:
1
Id =
T

t 0 +T

1
∫t i(t )dt = X
0

X0 +X

∫ i( X )dX

(1.1)

X0

Với t0 là thời điểm đầu của chu ký lấy tích phân, X0 = ωt0, X = ωT.
2. Trò Hiệu Dụng Của Một Tín Hiệu:
Gọi i(t) là một tín hiệu biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T hoặc chu
kỳ góc
X = ωT. Trò hiệu dụng của i(t) kí hiệu là I được tính theo hệ thức:
1
I=
T

t 0 +T

X0 + X
ì

1
X

∫ i (t )dt =
ì

t0

∫ i ( X )dX

(1.2)

X0

3. Hệ Số Sử Dụng Công Suất Nguồn:
λ=

P
S

(1.3)

Với λ là hệ số sử dụng công suất, P là công suất tiêu thụ thực tế trên tải, S là công
suất cung cấp của nguồn.
4. Độ Biến Dạng THD:
Là đại lượng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao xuất hiện trong nguồn điện:
∞

∑I
THD =

j =2

Ií

2
j

100

(1.4)

Với Ij là trò hiệu dụng của thành phần hài bậc j, I1 là trò hiệu dụng của tín hiệu
nguồn.

24




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

II.1 Vai Trò Của Bộ Chỉnh Lưu:
Bộ chỉnh lưu dùng để chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ
chỉnh lưu được dùng làm nguồn điện áp một chiều, làm nguồn một chiều điều khiển được
cho các hệ thống xi mạ, các bộ kích từ cho máy phát, làm các bộ biến đổi công suất trong
các hệ truyền động điện động cơ điện một chiều … Công suất của bộ chỉnh lưu có thể lên
đến hàng chục MW
Dòng điện
một chiều

Chỉnh lưu

V1

1

T1

5

ud

8

R

1

T1

R

5

ud

V1

4

8

L1

2

2

4

1

1

Hình 2.1 Chức năng của bộ chỉnh lưu
Tuỳ theo cấu tạo và dòng điện lấy ra trên bộ chỉnh lưu, người ta phân chỉnh lưu
thành chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển.
II.2 Chỉnh Lưu Không Điều Khiển:
Chỉnh lưu không điều khiển là loại chỉnh lưu tạo ra dòng điện một chiều có trò
trung bình không đổi. Loại chỉnh lưu này sử dụng diode làm linh kiện chính.
1. Chỉnh lưu một pha:
a. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ:
D
id
- Sơ đồ mạch:
D
id

a) Tải R
Hình 2.2 Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

Giả sử điện áp xoay chiều ở 2 đầu thứ cấp máy biến áp: u = 2V . sin θ

(2.1) .

- Phân tích:
• Trường hợp tải R:
+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trò dương, diode được phân cực
thuận nên diode mở, dòng điện chảy từ thứ cấp của máy biến áp qua diode, qua tải và trở
về thứ cấp của máy biến áp. Khi diode dẫn, điện áp rơi trên diode xem như không đáng

kể (uD = 0). Điện áp trên hai đầu tải: u d = u = 2V sin θ
Dòng điện chảy qua tải:

id =

ud
=
R

2V . sin θ
R

( 2 .2 )

(2.3)

Hệ thức (2.3) cho thấy dạng sóng điện áp và dạng sóng dòng điện là như nhau.
+ Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trò âm, diode bò phân cực ngược
nên diode ngắt. Điện áp trên hai đầu tải: ud = 0, dòng điện chảy qua tải Id = 0. Diode bò

25




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

đặt một điện áp ngược cực đại bằng giá trò cực đại của điện áp trên 2 đầu thứ cấp của
máy biến áp:

u d = 2V

( 2 .4 )

Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải:

Hình 2.3 dạng sóng điện áp và dòng điện tải
+ Trò trung bình của điện áp trên tải:
Từ dạng sóng điện áp trên tải nhận được, ta có trò trung bình của điện áp trên tải Ud:
Ud =

1
2π

2π

∫ u d (θ )dθ =
0

1
2π

π

∫

2V . sin θdθ =

0

2V

π

(2.5)

+ Trò trung bình của dòng điện chảy qua tải Id:
Id =

Ud
2V
=
πR
R

(2.6)

+ Trò trung bình của dòng điện chảy qua diode ID:
Ud
2V
=
πR
R

(2.7)

U D max = U max = 2V

(2.8)

ID = Id =

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode:

+ Trò hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp I:
I=

1
2π

2π

2
∫ id (θ )dθ =
0

π

1 2
V
id (θ )dθ =
∫
2π 0
2R

26

( 2 .9 )

Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

• Trường hợp tải RL:
+ Khi 0 < θ < π: Diode được phân cực thuận, diode mở cho dòng điện chảy qua tải. Khi
đó điện áp trên tải ud bằng điện áp nguồn u. u d = u = 2V . sin θ

(2.10)

Dòng điện chảy qua mạch được xác đònh thông qua phương trình cho mạch điện:
R.id + L

did
= u = 2V sin θ
dt

(2.11)

Giải phương trình (2.11) ta có dòng điện chảy qua tải:
id =

Trong đó: ϕ = arctg

ωL
R

R
− θ ⎤
⎡

X
(
)
sin
θ
−
ϕ
+
sin
ϕ
.
e
⎢
⎥
R2 + X 2 ⎣
⎦

2V

(2.12)

, X = ωL = Z.sinϕ, R = Z.cosϕ, Z = R 2 + X 2 .

Do trong tải có cuộn dây L nên khi diode dẫn, dòng điện tăng lên từ giá trò không
và cuộn dây L tích lũy năng lượng trong một khoảng thời gian sau đó dòng điện giảm
xuống. Khi dòng điện chảy trong mạch giảm, trên cuộn dây L sẽ xuất hiện một điện áp
cảm ứng theo chiều chống lại chiều giảm của dòng điện (cuộn dây L hoàn năng lượng)
làm cho diode vẫn tiếp tục dẫn mặc dù nguồn xoay chiều đã chuyển dấu sang âm (như
hình). Sau một khoảng 0 < θ =λ < 2π dòng điện chảy qua tải giảm xuống bằng 0 thì diode
ngắt (λ gọi là góc tắt dòng điện).

Dòng id bằng không khi θ =λ. Từ phương trình (2.12) ta có:
id =

R
− λ⎤
⎡
X
⎢sin (λ − ϕ ) + sin ϕ .e
⎥=0
R2 + X 2 ⎣
⎦

2V

=> sin (λ − ϕ ) = − sin ϕ .e

−

R
λ
X

(2.13)

(2.14)

Góc tắt λ có thể được xác đònh từ phương trình siêu việt (2.14).
+ Khi λ < θ < 2π: Diode bò phân cực ngược, diode ngắt. Khi đó điện áp trên tải ud = 0.

27

Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải
+ Trò trung bình của điện áp trên tải:
1
Ud =
2π

2π

1
∫0 ud (θ )dθ = 2π

2π

∫

2V . sin θdθ =

0

2V

π

−

2V
(1 + cos λ )
2π

(2.15)

+ Trò trung bình của dòng điện qua tải:
1
Id =
2π

R
⎡
⎛
X − X λ ⎞⎤
∫0 id (θ )dθ = 2π R 2 + X 2 ⎢⎢cos ϕ − cos(λ − ϕ ) + sin ϕ ⎜⎜⎝1 − R e ⎟⎟⎠⎥⎥
⎣
⎦

2π

2V

+ Trò trung bình của dòng điện chảy qua diode: ID = Id

(2.16)

(2.17).

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode: U D max = U max = 2V

(2.18)

+ Trò hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:
I=

1
2π

2π

∫i

2
d

λ

1 2
id (θ )dθ
2π ∫0

(θ )dθ =

0

(2.19)

Trong thực tế, khi mạch tải có cuộn dây L, người ta thường dùng một diode nối

song song với tải và ngược chiều để hoàn năng lượng.

1

D

V

R
Do

2

L

Hình 2.5 Chỉnh lưu tia một pha dùng diode hoàn năng lượng D0.
Với sự có mặt của diode hoàn năng lượng Do trong mạch thì khi điện áp nguồn xoay
chiều bằng 0, điện áp ngược xuất hiện trên cuộn dây L sẽ phân cực thuận cho diode D0
làm diode D0 dẫn,
dòng điện chảy từ cuộn dây L qua diode D0, tiêu tán trên điện trở R và trở về cuộn dây.
Khi đó, điện áp trên tải ud = 0, diode D ngắt. Dạng sóng điện áp và dòng điện tải như
hình 2.6

28




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Hình 2.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải khi trong mạch có diode hoàn năng lượng
+ Trò trung bình của điện áp trên tải:
Ud =

1
2π

2π

∫ u d (θ )dθ =
0

1
2π

2π

∫

2V . sin θdθ =

0

2V

π

(2.20)

b. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ:

- Sơ đồ mạch:

a) tải R

b) tải RE

c) tải RLE

Hình 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha hai nửa chu kỳ
29




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Giả sử điện áp xoay chiều ở 2 đầu thứ cấp máy biến áp:
u = 2V . sin θ

(2.21) .

- Phân tích:
• Trường hợp tải R:
+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trò dương, diode D1 và D3 được
phân cực thuận nên diode D1 và D3 mở, diode D2 và D4 bò phân cực ngược nên D2 và
D4 ngắt. Dòng điện chảy từ thứ cấp của máy biến áp qua diode D1, qua tải, qua diode D3
và trở về thứ cấp của máy biến áp. Khi diode dẫn, điện áp rơi trên diode xem như không
đáng kể (uD = 0). Điện áp trên hai đầu tải:
u d = u = 2V sin θ

Dòng điện chảy qua tải:

id =

ud
=
R

2V . sin θ
R

(2.22)

(2.23)

+ Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trò âm, diode D1 và D3 bò phân
cực ngược nên diode ngắt, diode D2 và D4 phân cực thuận nên D2 và D4 dẫn. Điện áp
trên hai đầu tải:
u d = −u = − 2V sin θ

(2.24)

Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải:

Hình 2.8 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải
30

Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

+ Trò trung bình của điện áp trên tải:
Ud =

1

π

π

1

∫ u d (θ )dθ =

π

π∫

0

2V . sin θdθ =

2 2V

0

(2.25)

π

+ Trò trung bình của dòng điện qua tải:
Id =

U d 2 2V
=
πR
R

(2.26)

+ Trò trung bình của dòng điện chảy qua diode:
ID =

Id
2V
=
πR
2

(2.27)

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode:

U D max = U max = 2V

(2.28)

+ Trò hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:
2

π
V
1 ⎛ 2V sin θ ⎞
⎟ dθ =
⎜
I=
i
d
(
θ
)
θ
=
∫
∫
⎟
⎜
R
R
π 0
π 0⎝
⎠

1

π

2
d

(2.29)

• Trường hợp tải RE:
+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trò dương.
Tuy nhiên trong khoảng 0 < θ < θ1, u < E nên diode D1 và D3 phân cực ngược, D1
và D3 không dẫn, điện áp trên tải ud = E. Trong đó θ1 là nghiệm của phương trình:
2V sin θ = E

(2.30)

Khi θ1 < θ < θ2, u > E, diode D1 , D3 được phân cực thuận nên diode D1 và D3 mở,
diode D2 và D4 bò phân cực ngược nên D2 và D4 ngắt. Dòng điện chảy từ thứ cấp của
máy biến áp qua diode D1, qua tải, qua diode D3 và trở về thứ cấp của máy biến áp. Khi
diode dẫn, điện áp rơi trên diode xem như không đáng kể (uD = 0). Điện áp trên hai đầu
tải:
u d = u = 2V sin θ

(2.31)

Dòng điện chảy qua tải:
id =

ud
=
R

2V . sin θ − E
R

(2.32)

+ Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trò âm, phân tích tương tự như
trên, diode D2 và D4 sẽ dẫn khi nguồn xoay chiều xoay chiều lớn hơn nguồn sưc điện
động E. Điện áp trên hai đầu tải:
u d = −u = − 2V sin θ

31

(2.33)




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải:

θ1

θ2

Hình 2.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải
+ Trò trung bình của điện áp trên tải:
Ud =

1

π

π

∫ ud (θ )dθ =
0

1

θ2

π θ∫

2V . sin θdθ + 2.E.θ1 =

1

1

π

π −θ1

∫
θ

2V . sin θdθ + 2.E.θ1 =

1

2 2V

π

(cosθ1 ) + 2.E.θ1

+ Trò trung bình của dòng điện qua tải:
Id =

1

π

i
π∫

d

(θ )dθ =

0

1

θ2

π θ∫

1

Với ωτ = θ2 - θ1, ω =

2V . sin θ − E
2 2V ⎛ cos θ1 τ
⎞
dθ =
− sin θ1 ⎟
⎜
R
R ⎝ π
T
⎠

(2.35)

2π
, E xác đònh bằng công thức 2.31 ( u d = u = 2V sin θ
T

(2.31) )

+ Trò trung bình của dòng điện chảy qua diode:
π

I
1
2V ⎛ cos θ1 τ
⎞
ID =
id (θ )dθ = d =
− sin θ1 ⎟
⎜

∫
R ⎝ π
T
2π 0
2
⎠

(2.36)

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode:
U D max = U max = 2V

32

(2.37)



(2.34)


Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

+ Trò hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:
I=

1

π

π −θ1

∫i

2
d

(θ )dθ =

0

1

π

π −θ1

∫
θ

1

2

⎛ 2V sin θ − E ⎞
⎟ dθ =
⎜
⎟
⎜
R

⎠
⎝

2.V − E τ
R
T

(2.38)

• Trường hợp tải RLE:
+ Từ dạng sóng tín hiệu nhận được ta thấy trong trường hợp tải RE, dòng điện tải bò gián
đoạn. Để dòng tải là liên tục, ta nối thêm vào mạch tải một cuộn dây L như hình 2.7 - c.
Khi có cuộn dây L trong mạch, mỗi khi dòng điện chảy qua tải biến thiên thì trên cuộn
dây sẽ sinh một nguồn sức điện động cảm ứng u L = L

di
để chống lại chiều biến thiên
dt

của dòng điện. Sử dụng khai triển Fourier cho tín hiệu điện áp trên tải ud ta nhận thấy ud
gồm 2 thành phần: Phần điện áp một chiều Ud chính là trò trung bình của điện áp trên tải
và phần điện áp xoay chiều ua chính là thành phần sóng hài có trong ud.
ud = Ud + ua (2.39)
Theo nguyên lý xếp chồng thì dòng điện chảy trong mạch tải cũng gồm 2 thành
phần: Thành phần một chiều Id là trò trung bình của dòng tải do nguồn một chiều gây nên
và thành phần xoay chiều ia do nguồn xoay chiều gây nên. Phương trình cho mạch tải:
u d = Rid + E + L

did
dt

Hay: U d + u a = RI d + E + Ria + L
Do Id là hằng số nên L

(2.40)
dia
dI
+L d
dt
dt

(2.41)

dI d
= 0 . Phương trình (2.41) được viết lại:
dt

U d + u a = RI d + E + Ria + L

dia
dt

(2.42)

Cân bằng thành phần một chiều và xoay chiều ta được:
Ud = R.Id + E
(2.43)
u a = Ria + L

dia

dt

Nếu cuộn dây L có giá trò lớn thì Ria << L

(2.44)
dia
di
nên (2.44) có thể viết lại: u a = L a .
dt
dt

Như vậy khi cuộn dây L có giá trò đủ lớn thì toàn bộ điện áp xoay chiều đặt lên cuộn dây
L, dòng điện xoay chiều ia chảy qua tải xem như bằng 0, dòng điện chảy qua tải là liên
tục.
Từ phương trình (2.43) ta có trò trung bình của dòng điện chảy qua tải:
33




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1
Ud − E
R

Id =

(2.44)

Dạng sóng của điện áp và dòng điện tải khi có cuộn dây L:

Hình 2.10 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải
Từ dạng sóng nhận được ta có:
+ Trò trung bình của điện áp trên tải:
Ud =

1

π

π

∫ u d (θ )dθ =
0

1

π

π∫

2V . sin θdθ =

2 2V

0

π

(2.45)

+ Trò trung bình của dòng điện chảy qua diode:
ID =

Id
2

(2.46)

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode:
U D max = U max = 2V

(2.47)

+ Trò hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:
I=

1

π

i
π∫
0

2
d

(θ )dθ =

1

π

I
π∫

2
d

dθ = I d

(2.48)

0

34




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

2. Chỉnh lưu ba pha:
a. Chỉnh lưu tia ba pha nhóm Kathode:
- Sơ đồ mạch:
Nguồn xoay chiều 3 pha ở thứ cấp của
máy biến áp:
u1 = 2V sin θ

udK

(2.49)

2π ⎞
⎛
u 2 = 2V sin ⎜θ −
⎟
3 ⎠
⎝
4π ⎞
⎛
u 3 = 2V sin ⎜θ −
⎟
3 ⎠
⎝

(2.50)
(2.51)

Hình 2.11 Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha nhóm Kathode

Dạng sóng nguồn 3 pha:

Hình 2.11 dạng sóng nguồn xoay chiều 3 pha
- Phân tích:
Giả thiết cuộn dây L có giá trò đủ lớn để dòng tải liên tục
5π
π
, nguồn u1 có giá trò lớn nhất nên diode D1 phân cực thuận,
+ Trong khoảng < θ <

6

6

D1 dẫn, D3 và D5 bò phân cực ngược. Điện áp trên tải:
u dK = u1 = 2V sin θ

+ Trong khoảng

(2.52)

5π
9π
<θ <
, nguồn u2 có giá trò lớn nhất nên diode D3 phân cực thuận,
6
6

D3 dẫn, D1 và D5 bò phân cực ngược.
35




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

Điện áp trên tải:
2π ⎞
⎛
u dK = u 2 = 2V sin ⎜θ −

⎟
3 ⎠
⎝

+ Trong khoảng

(2.53)

9π
13π
<θ <
, nguồn u3 có giá trò lớn nhất nên diode D5 phân cực thuận,
6
6

D5 dẫn, D1 và D3 bò phân cực ngược. Điện áp trên tải:
4π ⎞
⎛
u dK = u 3 = 2V sin ⎜θ −
(2.54)
⎟
3 ⎠

⎝

Ta có dạng sóng điện áp chỉnh lưu và dòng điện chảy qua tải:

Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải
+ Từ dạng sóng nhận được ta có trò trung bình của điện áp trên tải:
U dK

3
=
2π

5π

6

3
∫π u d (θ )dθ = 2π
6

5π

∫
π

6

2V . sin θdθ =

6

3 6V
2π

(2.55)

+ Trò trung bình của dòng điện qua tải:

Id =

Ud − E
R

(2.56)

+ Trong một chu kỳ 2π, mỗi diode chỉ dẫn dòng trong khoảng góc là

2π
nên ta có trò
3

trung bình của dòng điện chảy qua diode:
ID =

Id
3

(2.57)

36




Giáo trình Điện Tử Công Suất 1

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode: điện áp ngược đặt lên mỗi diode đúng bằng điện
áp dây, nên ta có điện áp ngược cực đại đặt lên diode:

U D max = u12 max = 6V

(2.58)

+ Trò hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:

1
I1 = I 2 = I3 =
2π

5π

6

2
∫ Id dθ =

π

6

Id
3

(2.59)

b. Chỉnh lưu tia ba pha nhóm Anode:
- Sơ đồ mạch:
Nguồn xoay chiều 3 pha ở thứ cấp của
máy biến áp:

u1 = 2V sin θ

(2.60)

2π ⎞
⎛
u 2 = 2V sin ⎜θ −
⎟
3 ⎠
⎝
4π ⎞
⎛
u 3 = 2V sin ⎜θ −
⎟
3 ⎠
⎝

udA

(2.61)
(2.62)

Hình 2.13 Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha nhóm Anode
Dạng sóng nguồn 3 pha:

Hình 2.14 dạng sóng nguồn xoay chiều 3 pha
- Phân tích:
Giả thiết cuộn dây L có giá trò đủ lớn để dòng tải liên tục

37

Giáo trình Điện Tử Công Suất 1
7π
π
+ Trong khoảng < θ <
, nguồn u3 có giá trò âm lớn nhất nên diode D2 phân cực
2
6

thuận, D2 dẫn, D4 và D6 bò phân cực ngược. Điện áp trên tải:
4π ⎞
⎛
u dA = u 3 = 2V sin ⎜θ −
⎟ (2.63)
⎝

+ Trong khoảng

3 ⎠

7π
11π
<θ <
, nguồn u1 có giá trò âm lớn nhất nên diode D4 phân cực
6
6

thuận, D4 dẫn, D2 và D6 bò phân cực ngược.
Điện áp trên tải:
u dA = u1 = 2V sin θ

+ Trong khoảng

(2.64)

11π
15π
<θ <
, nguồn u2 có giá trò âm lớn nhất nên diode D6 phân cực
6
6

thuận, D6 dẫn, D2 và D4 bò phân cực ngược. Điện áp trên tải:
2π ⎞
⎛
u dK = u 2 = 2V sin ⎜θ −
(2.65)
⎟
⎝

3 ⎠

Ta có dạng sóng điện áp chỉnh lưu và dòng điện chảy qua tải:

Hình 2.15 Dạng sóng điện áp tải và dòng điện chảy qua tải
+ Từ dạng sóng nhận được ta có trò trung bình của điện áp trên tải:
U dA

3
=
2π

7π

6

3
∫π u d (θ )dθ = 2π
2

7π

∫
π

6

2

4π ⎞
3 6V
⎛
2V . sin ⎜θ −
⎟dθ = −
3 ⎠
2π
⎝

+ Trò trung bình của dòng điện qua tải: I d =

Ud − E
R
38

(2.66)

(2.67)