CÁC PHẢN ỨNG PHỨC hợp của THIẾT bị điện tử CÔNG SUẤTVÀ ẢNH HƢỞNG của CHÚNG tới HOẠT ĐỘNG của các bộ BIẾN đổi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THẮM

CÁC PHẢN ỨNG PHỨC HỢP CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ
CÔNG SUẤTVÀ ẢNH HƢỞNG CỦA CHÚNG TỚI
HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hoá

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐỖ MẠNH CƢỜNG

Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa
học của TS. Đỗ Mạnh Cƣờng. Các số liệu, tính toán, mô phỏng trong luận văn hoàn
toàn trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Học viên

Nguyễn Thị Thắm


MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... iii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................v
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT BÁN DẪN CÔNG
SUẤT ..........................................................................................................................3
1.1 Diode .................................................................................................................3
1.2 Thyristor ............................................................................................................6
1.3 Thyristor khóa đƣợc bằng cực điều khiển, GTO ( Gate Turn-off Thyristor ) ..9
1.4 Transitor công suất, BJT ( Bipolar Junction Tranziztor) ................................11
1.5 Transitor trƣờng, MOSFET.............................................................................16
1.6 Transitor có cực điều khiển cách ly, IGBT .....................................................19
CHƢƠNG II: TÍNH PHI TUYẾN CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT BÁN DẪN
CÔNG SUẤT TỚI HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU ..................25
2.1 Cấu trúc mạch và nguyên lý làm việc của bộ biến đổi ...................................25
2.2. Tổng quan các phƣơng pháp cho các bộ biến đổi ..........................................31
2.3 Tổng quan về hệ động học phi tuyến ..............................................................34
2.4 Các phản ứng phức hợp trong điện tử công suất............................................46
CHƢƠNG III: MÔ HÌNH PHI TUYẾN CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI .......................49
3.1 Phƣơng pháp rời rạc hóa .................................................................................49
3.2 Các phƣơng pháp rời rạc đối với các bộ biến đổi ...........................................54
3.3 Xấp xỉ hóa với khai triển dãy ..........................................................................57
3.4 Phƣơng pháp lặp xấp xỉ với bộ biến đổi BOOST và BUCK ..........................58
3.5. Phƣơng pháp trung bình hóa ..........................................................................60
3.6 Luật điều khiển cho mô hình trung bình .........................................................64
3.7 Xác định biên giới của các chế độ làm việc ....................................................64
i

3.8 Border Collision: Trivial Case ........................................................................67
3.9 Tổng kết ..........................................................................................................68
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..................................................................70
4.1 Ảnh hƣởng của các thiết bị điện tử công suất tới hoạt động của các bộ biến
đổi ..........................................................................................................................70
KẾT LUẬN ...............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................75

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
D: Diode
S: Switch
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transitor
GTO: Gate Turn-Off Thyristor
MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect transitor
PWM: Pulse with modulation

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Các hàm fij và gij đối với các bộ biến đổi Boost và Buck trong chế độ liên
tục theo phƣơng pháp lặp ..........................................................................................59
Bảng 3.2: Hàm f(.) đối với Boost và Buck trong chế độ gián đoạn ..........................60
Bảng 3.3. Giá trị VC, IL xác lập của bộ biến đổi Boost và Buck ...............................62

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu tạo của một diode công suất ................................................................4
Hình 1.2 Ký hiệu và đặc tính von-ampe của diode ....................................................5
Hình 1.3. Đặc tính đóng cắt của diode ........................................................................6
Hình 1.4. Cấu tạo và sơ đồ thay thế bởi hai transitor ..................................................7
Hình 1.5 Cấu trúc bán dẫn của GTO ..........................................................................9
Hình 1.6 Đặc tính đóng cắt của GTO.......................................................................10
Hình 1.7 Mạch đệm Snubber cho GTO ...................................................................11
Hình 1.9. Đặc tính đóng cắt của transitor. ................................................................13
Hình 1.8 Cấu tạo và ký hiệu của transitor ................................................................12
Hình 1.10Vùng làm việc an toàn của transitor..........................................................15
Hình 1.11 Cấu tạo của MOSFET ..............................................................................16
Hình 1.13 Dạng sóng quá trình mở MOSFET dƣới ảnh hƣởng của quá trình phục
hồi Diot D ..................................................................................................................17
Hình 1.14 Quá trình khóa MOSFET .........................................................................19
Hình 1.15 Cấu tạo bán dẫn của IGBT .......................................................................19
Hình 1.16 Quá trình mở một IGBT ...........................................................................21
Hình 1.17 Quá trình khóa của IGBT .........................................................................22
Hình 1.18. So sánh tƣơng đối giữa các phần tử bán dẫn...........................................23
Hình 2.1 Các bộ biến đổi: .........................................................................................25
Hình 2.2 Bộ biến đổi Buck với vòng điều khiển áp ..................................................28
Hình 2.3 Bộ biến đổi BOOST với vòng điều khiển dòng .........................................29
Hình 2.4 Hệ Lorenz với tham số mô hình thay đổi ...................................................35
Hình 2.5 Hiện tƣợng phân nhánh với hệ x = μ − x2. Khi μ thay đổi từ giá trị âm
sang dƣơng, điểm ổn định sẽ xuất hiện và ngƣợc lại. ...............................................37
Hình 2.6: Hiện tƣợng phân nhánh giới hạn xảy ra ở hệ x = μx − x2. Khi μ khác 0,
điểm cân bằng sẽ trở nên mất ổn định và ngƣợc lại. .................................................38

v

Hình 2.7 Hiện tƣợng phân nhánh hình chĩa trên của hệ x = μx − x3. Khi μ thay đổi
từ âm sang dƣơng, điểm cân bằng ban đầu sẽ tách thành hai điểm cân bằng khác. .39
Hình 2.8: Hiện tƣợng phân nhánh hình chĩa dƣới .....................................................40
Hình 2.9. Tham số mô hình của hệ Loren r = 149 ....................................................41
Hình 2.10 Hệ Lorenz với r = 147 ..............................................................................42
Hình 2.11 Hai quỹ đạo bắt đầu ở hai điểm gần nhau nhƣng kết thúc ở hai hƣớng
khác nhau...................................................................................................................44
Hình 3.1 Nguyên lý mạch BOOST ..........................................................................50
Hình 3.2 Nguyên lỹ mạch Buck ...............................................................................54
Hình 3.3 Dạng sóng dòng điện trong chế độ gián đoạn ............................................56
Hình 3.4 Cấu trúc mạch BOOST (a), BUCK (b) khi cả S và D đều không dẫn khi bộ
biến đổi làm việc trong chế độ gián đoạn .................................................................56
Hình 3.5 Mô hình mạch trung bình

a) Boost

b) Buck làm việc trong chế độ

liên tục .......................................................................................................................63
Hình 3.6 Mô hình mạch trung bình

a) Boost

b) Buck làm việc trong chế độ

gián đoạn ...................................................................................................................64
Hình 3.7 Điều kiện làm việc trong chế độ liên tục ...................................................65
Hình 3.8 Biên giới giữa hai chế độ làm việc a) Boost b) Buck ..............................66

Hình 3.9 Hiện tƣợng border collsion khi thay đổi chế độ làm việc a) Boost

b)

Buck với L = 1mH, T = 0,0001s, D = 0,4 .................................................................68
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck với vòng điều khiển áp ................................70
Hình 4.2 Sự thay đổi dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ. .........................................71
Hình 4.3 Sự thay đổi giá trị điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ. ..................................72
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch BUCK với vòng điều khiển dòng ..........................72
Hình 4.5 Dạng sóng và giá trị điện áp ra ..................................................................73

vi


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay trong lĩnh vực kỹ thuật hiện
đại, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lƣợng điện áp cao, kích thƣớc
nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là một yêu cầu tất yếu. Bộ biến đổi DC-DC
thƣờng đƣợc sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng
công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lƣợng tái tạo (sức
gió, mặt trời,…). Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhƣng vấn đề
điều khiển nhằm đạt đƣợc hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục
tiêu của các công trình nghiên cứu.Bởi bộ biến đổi là đối tƣợng điều khiển tƣơng
đối phức tạp vì mô hình của bộ biến đổi có tính phi tuyến.Chính quá trình làm việc
của các thiết bị bán dẫn đã gây nên những hiện tƣợng có tính phi tuyến đó.
Để giảm đƣợc các hiện tƣợng phi tuyến đó, cần có một phƣơng pháp điều khiển các
van bán dẫn sao cho giảm bớt đƣợc các yếu tố phi tuyến gây ra cho chúng, ảnh
hƣởng tới hoạt động của các bộ biến đổi.
Vì vậy, mục đích nghiên cứu của đề tài là nâng cao chất lƣợng và hiệu suất của các
bộ biến đổi sử dụng thiết bị bán dẫn công suất. Kết quả của đề tài là đề xuất đƣợc

các giải pháp để khắc phục các ảnh hƣởng phi tuyến này trong bộ biến đổi một
chiều.Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là các bộ biến đổi, các phƣơng pháp thiết kế
điều khiển cho bộ biến đổi.
Nội dung luận văn gồm 4 chƣơng:
Chương 1: Tổng quan về các thiết bị bán dẫn công suất, trình bày về các đặc tính
đóng cắt của thiêt bị.
Chương 2: Tính phi tuyến của các thiết bị đóng cắt bán dẫn công suất tới hoạt động
của bộ biến đổi một chiều, trình bày tổng quan về các hiện tƣợng phi tuyến và ảnh
hƣởng của thiết bị bán dẫn tới bộ biến đổi.
Chương 3: Mô hình phi tuyến của các bộ biến đổi, trình bày một số phƣơng pháp
giải quyết vấn đề phi tuyến trong bộ biến đổi.
Chương 4: Kết quả mô phỏng

1


Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình trong suốt thời
gian vừa qua của TS.Đỗ Mạnh Cƣờng. Do khả năng cũng nhƣ các nguồn tài liệu
tham khảo còn hạn chế nên kết quả luận văn này vẫn còn nhiều thiếu sót. Tôi mong
nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ các thầy, cô cùng các đồng nghiệp để
có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt
đến kết quả hoàn thiện hơn.

2


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮTBÁN DẪN
CÔNG SUẤT
Các thiết bị bán dẫn công suất là một trong những yếu tố quan trọng nhất của
điện tử công suất. Chúng đƣợc sử dụng trong các bộ biến đổi công suất theo nguyên

tắc đóng ngắt các van khi làm việc ở chế độ lý tƣởng.
- Các van bán dẫn hoạt động nhƣ một công tắc với hai chế độ đóng và ngắt:
Khi đóng (cho dòng chạy qua) thì điện trở tƣơng đƣơng nhỏ, khi ngắt (không cho
dòng chạy qua) thì điện trở tƣơng đƣơng lớn.Nhờ đó, tổn hao công suất trong quá
trình làm việc bằng tích của dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có
giá trị rất nhỏ.
- Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử đƣợc đặt dƣới điện áp
phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngƣợc, dòng qua phần tử chỉ
có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.
Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động các van bán dẫn thƣờng xảy ra các hiện
tƣợng phi tuyến nên hiệu suất của bộ biến đổi giảm. Theo đặc tính lý tƣởng của các
van bán dẫn, mối quan hệ giữa dòng và áp là tuyến tính.Nhƣng các van trong thực
tế lại không nhƣ mong muốn.Yếu tố chính quyết định hiệu suất của bộ biến đổi là
tổn thất trên các van bán dẫn, đƣợc tính bằng tích của dòng điện chạy qua van bán
dẫn với điện áp rơi trên van. Chính vì vậy, khả năng đóng ngắt, khả năng chịu điện
áp và các đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt là những tính năng kỹ thuật cần
nắm vững để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các van bán dẫn và các bộ biến đổi.
1.1 Diode
Diode là phần tử đƣợc cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Diode có
hai cực, anot A nối với lớp bán dẫn kiểu p, catot K nối với lớp bán dẫn kiểu n. Dòng
điện chỉ chạy qua diode theo chiều từ A đến K khi điện áp U AK dƣơng. Khi UAK âm,
dòng qua diode gần nhƣ bằng không.
Đối với Diode công suất, yêu cầu cấu tạo của nó phải đáp ứng điều kiện là
cho dòng điện lớn chạy qua (cỡ vài nghìn A), và chịu đƣợc điện áp ngƣợc lớn (cỡ

3


vài nghìn V).Vì vậy, Diode công suất đƣợc cấu tạo thêm một lớp n- trong lớp n của
lớp tiếp giáp p-n.

Vùng n- làm tăng khả năng chịu
điện áp ngƣợc, đồng thời làm
tăng sụt áp khi dẫn dòng theo
chiều thuận

Hình 1.1. Cấu tạo của một diode công suất
Hình 1.2 là ký hiệu của diode và đặc tính von-ampe của nó.
Đặc tính von – ampe của diode thông qua quy luật, thể hiện tính phi tuyến của diode
𝑈𝐷

𝐼𝐷 = 𝐼𝑆 𝑒 𝑛 𝑈 𝑅 − 1

(1.1)

Trong đó: n – hệ số phát xạ (~1 với Ge, ~ 2 với Si)
IS: Dòng điện bão hòa( 10-6 – 10-15 A)
UD: Điện áp rơi trên diode
𝑈𝑅 = 𝑘𝑇 𝑞 ≈ 26𝑚𝑉
k: hằng số Boltzman= 1,38. 10−23 (𝐽 𝐾)
T: nhiệt độ diode (≈ 3000 𝐾)
q: điện tích nạp = 1,6.10-19C
Nhƣ vậy đặc tính V-I của diode phụ thuộc vào các yếu tố: Nhiệt độ, cấu tạo
của diode. Chính sự thay đổi của các yếu tố này sẽ làm cho tính phi tuyến của diode
tăng trong quá trình đóng cắt.
Ở điều kiện phân cực thuận, diện tích lớp tiếp giáp của diode giảm, điện trở
tƣơng đƣơng nhỏ,độ sụt áp trên diode khoảng 0,7 V.Lúc này dòng thay đổi lớn
nhƣng độ sụt áp ít thay đổi. Ở chế độ phân cực ngƣợc, khi điện áp nằm trong một
giá trị ngƣỡng nhất định, thì dòng qua diodevẫn có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò,
khi đó diode cản trở dòng chạy qua theo chiều ngƣợc lại. Khi điện áp tăng đến điện

4


áp ngƣỡng Vngmax thì xảy ra hiện tƣợng dòng qua diode tăng đột ngột, tính chất cản
trở dòng điện ngƣợc của diot bị phá vỡ. Khi đó, ta nói diode bị đánh thủng.

Độ sụt áp

Dòng
rò

Ungmax

Hình 1.2 Ký hiệu và đặc tính von-ampe của diode
Đặc tính đóng cắt là đặc tính quan trọng của diode. Giản đồ đóng ngắt của diode
đƣợc biểu diễn ở trên hình 1.3
Trƣớc thời điểm t = 0, diode đang ở chế độ phân cực thuận, dòng qua diode có giá
trị IF và điện áp trên diode có giá trị VF rất nhỏ. Bắt đầu từ thời điểm t =0, đặt một
điện áp ngƣợc lên hai cực của diode, diode chuyển sang chế độ khóa. Dòng điện
qua diode lúc này giảm tuyến tính do lƣợng điện tích trong lớp tiếp giáp p-n chƣa di
chuyển hết ra ngoài. Thời gian di chuyển của điện tích phụ thuộc tốc độ tăng của
dòng ngƣợc di(t)/dt và lƣợng điện tích tích lũy, phụ thuộc giá trị dòng điện ngƣợc
mà diode dẫn trƣớc đó.
Trong thời gian t2, dòng điện giảm về 0, lúc này các hạt điện tích đƣợc quét ra ngoài
nhƣng do còn tồn tại lƣợng điện tích tích lũy, dòng điện tiếp tục tăng theo chiều
ngƣợc với tốc độ tăng di/dt đến giá trị Irrm, rồi về không. Thời gian phục hồi trr
=t2+t3 và điện tích phục hồi Qrr tƣơng ứng với lƣợng điện tích phải dịch chuyển ra
ngoài là hai thông số quan trọng của diode. Tốc độ giảm dòng điện đột ngột về
không sẽ quyết định lƣợng điện áp tăng Vrr. Để giảm lƣợng điện áp tăng đột ngột

5


đó, ngƣời ta sử dụng mạch snubber nhằm đảm bảo an toàn cho mạch. Dòng điện
phục hồi là nguyên nhân chính dẫn đến tổn hao đóng cắt.

Hình 1.3. Đặc tính đóng cắt của diode
1.2 Thyristor
Đặc tính von-ampe của thyristor đƣợc thể hiện trong hình 1.4. Cũng nhƣ
diode, sự thay đổi các yếu tố nhiệt độ, cấu tạo thyristor sẽ làm thay đổi đặc tính V-I
của diode, thể hiện ngay tính phi tuyến trong quá trình hoạt động của chúng.
Thyristor là phần tử gồm bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n, với 3 cực
anot A, catot K, và cực điều khiển G.
Thyristor có điện áp ngƣỡng đối với cả chế độ thuận và ngƣợc. Có nhiều
cách để mở thyristor nhƣ: tăng điện áp anode – catode lên đến khi đạt giá trị điện áp
thuận lớn nhất, tăng tốc độ điện áp dv/dt hay tăng nhiệt độ lớp tiếp giáp hoặc cũng
có thể chiếu ánh sáng vào lớp tiếp giáp. Tuy nhiên những cách này đều không đƣợc
áp dụng do có thể gây nên hiện tƣợng đánh thủng, phá hủy thyristor. Do vậy, để mở
thyristor an toàn ta có thể mở bằng cách đặt lên hai cực AK một điện áp dƣơng,
6


đồng thời kích mở xung dòng IG. Tuy vậy, khi thyristor đã dẫn thì không có khả
năng tự ngắt.

J1

J2
J3

(b)
Hình 1.4. a) Cấu tạo và sơ đồ thay thế bởi hai transitor
b) Đặc tính von- ampe của thyristor
.

Đặc tính von-ampe của thyristor gồm hai phần, phần đặc tính thuận và phần

đặc tính ngƣợc.
a/ Mở thyristor
Để mở thyristor, ta đƣa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều
khiển và catode. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở
kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode – catode nhỏ. Khi đó nếu dòng
qua anode – catode lớn hơn dòng duy trì thì thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái

7


mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển. Điều này có
nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung có độ rộng nhất định, do
đó công suất của mạch điều khiển có thể rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà
thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
Khi dòng vào cực điều khiển IG = 0, điện áp thuận đƣợc đặt lên thyristor sẽ có một
dòng rò rất nhỏ chạy qua, do thyristor lúc này giống nhƣ hai diode mắc nối tiếp bị
phân cực ngƣợc. Nếu điện áp tăng lên đến một giá trị điện áp giới hạn (VFBV),
thyristor sẽ chuyển sang chế độ dẫn. Nếu tiếp tục tăng IG, điện áp thuận lớn nhất sẽ
giảm, và đến khi IG = IG3 thì thyristor lúc này hoạt động giống nhƣ diode. Dòng IL là
dòng nhỏ nhất cần thiết để mở thyristor hoàn toàn, còn dòng I H là dòng duy trì để
thyristor luôn mở. Trong quá trình dẫn, nếu dòng IG bằng không và dòng qua anode
giảm đến một giá trị giới hạn thì thyristor sẽ chuyển sang chế độ khóa thuận.

Tuy nhiên, khi đặt một điện áp thuận lên thyristor mà chƣa cấp tín hiệu điều khiển
vào cực G thì cần giới hạn tốc độ tăng điện áp dv/dt để tránh hiện tƣợng mở
thyristor giả.Vì khi tốc độ tăng điện áp dv/dt biến thiến với tốc độ lớn sẽ tạo ra dòng
điện ở lớp J2, giống nhƣ dòng Emitter của transitor để mở thyristor. Khi thyristor
đang ở chế độ dẫn, nếu tốc độ tăng dòng di/dt quá lớn, có thể gây ra sự phá hủy
thiết bị do mật độ dòng điện ở các điểm dẫn quá cao.
b/ Khóa thyristor
Khi đặt một điện áp ngƣợc lên anode – catode, theo cấu tạo bán dẫn của
thyristor, nó sẽ giống nhƣ hai diode đƣợc mắc nối tiếp bị phân cực ngƣợc. Qua
thyristor sẽ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò ngƣợc( I RL). Khi điện
áp ngƣợc tăng đến một giá trị lớn nhất, sẽ xảy ra hiện tƣợng thyristor bị đánh thủng,
dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống nhƣ ở đoạn đặc tính ngƣợc với diode, quá
trình đánh thủng là quá trình không thể đảo ngƣợc đƣợc, nghĩa là nếu giảm điện áp
ngƣợc xuống thì dòng cũng không thể giảm về mức dòng rò.Thyristor đã bị đánh
thủng.
Những thyristor mới ngày nay đƣợc chế tạo có thể chịu đƣợc điện áp lớn (vài
KV) và dòng lớn (vài KA).

8


1.3 Thyristor khóa đƣợc bằng cực điều khiển, GTO ( Gate Turn-off Thyristor )
Dƣới tác dụng của điện áp lƣới, thyristor có thể khóa lại một cách tự nhiên
trong các sơ đồ chỉnh lƣu nên thyristor thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạch chỉnh
lƣu công suất nhỏ vài KW đến công suất cực lớn, vài trăm MW. Tuy nhiên, với các
ứng dụng bộ biến đổi xung áp một chiều, trong đó các van bán dẫn luôn bị đặt dƣới
điện áp một chiều thì điều kiện để khóa không còn nữa.Khi đó, việc sử dụng
thyristor sẽ cần đến các bộ chuyển mạch cƣỡng bức phức tạp, gây tổn hao lớn về
công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi.Nên khi GTO ra đời, vấn đề chuyển
mạch thyristor đã đƣợc giải quyết.

GTO, nhƣ tên gọi của nó, nghĩa là khóa lại đƣợc bằng cực điều khiển, có khả
năng đóng cắt các dòng điện rất lớn, chịu đƣợc điện áp cao giống nhƣ thyristor, là
một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khóa dƣới tác động của
tín hiệu điều khiển. Do vậy, ƣu điểm cơ bản của các van bán dẫn GTO là khả năng
đóng cắt dòng điện lớn nhƣng đƣợc điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ.
GTO có cấu tạo gồm bốn lớp pnpn giống nhƣ thyristor thông thƣờng.

b)

a)
Hình 1.5 a) Cấu trúc bán dẫn của GTO
Mạch điện tương đương hai transitor.

GTO đƣợc điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống nhƣ ở
thyristor.Tuy nhiên, do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì của GTO cao
hơn so với dòng duy trì của thyristor. Do đó, dòng điều khiển phải có biên độ lớn
hơn và duy trì trong thời gian lâu hơn để dòng qua GTO vƣợt xa giá trị dòng duy trì.

9


Tƣơng tự nhƣ thyristor, khi GTO đã dẫn dòng thì không cần đến xung điều khiển
nữa.Nhƣ vậy, GTO có thể mở bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể.

Hình 1.6 Đặc tính đóng cắt của GTO
Để ngắt GTO, xung dòng điện âm lớn đƣợc đƣa vào cổng G – catode, với tốc độ
tăng dòng diGQ/dt lớn hớn giá trị định mức, nó đẩy các hạt mang điện ra khỏi
catode, tức ra khỏi emitor của transitor pnp và transitor npn sẽ không thể hoạt động
ở mức độ tái sinh. Sau khi transitor npn tắt, transitor pnp sẽ hoạt động với cổng kích
đóng ở trạng thái mở và linh kiện trở về trạng thái không dẫn điện. Xung dòng để

ngắt GTO phải có biên độ lớn, khoảng 20-25% biên độ dòng anode-catode.Điều đó
có nghĩa là với một GTO có giá trị dòng anode là 6000 A thì cần xung dòng có biên
độ 1500A.
Khi GTO ngắt, dòng anode đƣợc đặt lên mạch snubber, tạo ra điện áp đỉnh VDSP.

10


Hình 1.7 Mạch đệm Snubber cho GTO
Độ lớn của điện áp VDSP phụ thuộc vào tốc độ tăng dòng di/dt và mạch snubber.Nếu
điện áp này lớn, GTO sẽ không thực hiện quá trình ngắt đƣợc.Khi GTO ngắt, điện
áp trên anode – catode sẽ tăng với tốc độ dv/dt không đổi.Khi điện áp đạt đến giá trị
điện áp đỉnh VDM, nó sẽ giảm xuống bằng với giá trị điện áp nguồn cung cấp. Nhƣ
theo đặc tính đóng cắt của dòng anode, sau khoảng thời gian ts dòng anode giảm đột
ngột. Tuy nhiên, sau thời gian khóa tgq, vẫn tồn tại khoảng thời gian trễ tt do các hạt
điện tích vẫn chƣa đƣợc đƣa hết ra ngoài.Sau khoảng thời gian ts, điện áp trên cổng
G giảm đột ngột, và cuối cùng bằng với điện áp nguồn cung cấp cho mạch cổng
điều khiển.
Thời gian tgw là khoảng thời gian để ngắt dòng anode.Trong thời gian tgw, trở kháng
mạch cổng điều khiển cần đƣợc duy trì và điện áp trên cổng G – catode cũng đƣợc
phân cực ngƣợc nhằm đẩy hết các hạt điện tích dƣ ra ngoài.Nếu trở kháng mạch
không đủ nhỏ, dòng điện ở cổng điều khiển sẽ tạo ra các hạt điện tích ở lớp bán dẫn,
làm giảm điện áp phân cực ngƣợc ở cổng.Nhƣ vậy, sẽ xuất hiện điện áp đƣợc phân
cực thuận giữa cực cổng G và catode, khi đó, việc khóa GTO sẽ không thực hiện
đƣợc.
1.4 Transitor công suất, BJT ( Bipolar Junction Tranziztor)
Không giống nhƣ Thyristor, transitor là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn
gồm ba lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo nên hai tiếp giáp p-n. Transitor có ba cực:

11

bazo (B), colecto (C), và emito (E), tạo nên các dòng bazo IB, dòng colecto IC, dòng
emitor IE. Trong đó, dòng colecto đƣợc điều khiển bởi dòng điều khiển bazo.

Hình 1.8 Cấu tạo và ký hiệu của transitor
Mối quan hệ giữa dòng iC và dòng VBE là mối quan hệ phi tuyến, khi mà dòng iC
đƣợc quyết định bởi mối quan hệ: 𝑖𝐶 = 𝐼0 𝑒

𝑉 𝐵𝐸
𝑛 𝑉𝑇

.

Chế độ đóng cắt của transitor phụ thuộc vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp B-E
và B-C, CBE và CBC.Nếu cho transitor đóng cắt một tải thuần trở Rt dƣới điện áp
+Vn điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -VB2 đến +VB1 và ngƣợc lại, ta sẽ xét quá
trình đóng cắt của transitor theo sơ đồ sau:
a. Quá trình mở
Trong khoảng thời gian (1), BJT đang trong chế độ khóa với điện áp ngƣợc –VB2
đặt lên tiếp giáp B-E.Quá trình mở BJT bắt đầu khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -VB2
lên mức VB1. Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tƣơng đƣơng bằng Cin = CBE +
CBC, nạp điện từ điện áp –VB2 đến VB1. Khi VBE còn nhỏ hơn không, chƣa có hiện
tƣợng gì xảy ra đối với IC vàVCE. Tụ Cin chỉ nạp đến giá trị điện áp ngƣỡng mở
12


V*của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì
quá trình nạp kết thúc. Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE
vƣợt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3). Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ

khi mở, td(on) của BJT.

Hình 1.9.Đặc tính đóng cắt của transitor.
Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitor thâm nhập vào vùng bazo, vƣợt
qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng collecto.Các điện tử thoát ra khỏi colecto
càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitor. Quá trình tăng dòng IC, IE tiếp tục xảy
ra cho đến khi dòng bazo đã tích lũy đủ lƣợng điện tích dƣ thừa QB mà tốc độ tự
trung hòa của chúng đảm bảo một dòng bazo không đổi:
𝐼𝐵1 =

𝑉𝐵 1 −𝑉 ∗
𝑅𝐵

Tại điểm cộng dòng điện tại bazo, ta có IB1 = iC.BE + iC.BC + iB
Trong đó: iC.BE là dòng nạp của tụ CBE
iC.BC là dòng nạp của tụ CBC
iB là dòng đầu vào của transitor, iC = β.iB

13

(1.2)


Dòng colecto tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là IC(∞) = β.IB1.
Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3), thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hòa, IC.bh,
BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC= β.iC không còn tác dụng nữa. Trong
chế độ bão hòa cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều đƣợc phân cực thuận. Vì transitor
làm việc với tải trở trên colecto nên điện áp trên colecto – emitor VCE cũng giảm
theo cùng tốc độ với sự tăng dòng IC. Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn
của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian càng ngắn.

Trong khoảng (4), đuôi điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hòa cuối
cùng, xác định bởi biểu thức:
VCE.bh = Vn – IC.bh.Rt

(1.3)

Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ thuộc cấu
tạo của BJT.
Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hòa.
b. Quá trình khóa BJT
Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hòa, điện tích tích tụ không chỉ trong
lớp bazo mà còn cả trong lớp colecto.Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu nhƣ
không ảnh hƣởng đến chế độ làm việc của transitor.
Khi điện áp điều khiển thay đổi từ VB1 đến –VB2 ở đầu giai đoạn (6), điện
tích tích lũy trong các lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức đƣợc. Dòng IB
ngay lập tức sẽ có giá trị:
𝐼𝐵2 =

𝑉𝐵 2 −𝑉 ∗
𝑅𝐵

(1.4)

Lúc đầu các điện tích đƣợc di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi IB2. Giai đoạn
di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích ở lớp tiếp giáp bazo –
colecto giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cực ngƣợc.
Khoảng thời gian (6) gọi là khoảng thời gian trễ khi đóng, td(off).
Trong khoảng (7), dòng colecto IC bắt đầu giảm về bằng không, điện áp VCE sẽ tăng
đến giá trị Vn. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, trong đó
dòng IC tỷ lệ với dòng bazo. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngƣợc, bằng Vn.

Trong giai đoạn này, tại điểm cộng dòng điện tại bazo:
14


IB2 = iC.BC - iB
Trong đó, iC.BC là dòng nạp của tụ CBC, iB là dòng đầu vào của transitor. Từ đó có
thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn đƣợc thực hiện. Tiếp giáp B – C bị phân cực ngƣợc,
tiếp giáp B – E đƣợc phân cực thuận.Đến cuối khoảng (7) transitor mới khóa lại
hoàn toàn.
Trong khoảng (8), tụ bazo – emitor tiếp tục nạp tới điện áp ngƣợc –VB2.Transitor ở
chế độ khóa hoàn toàn trong khoảng (9).

Hình 1.10: Vùng làm việc an toàn của transitor.
Với các chế độ hoạt động của transitor nhƣ trên, transitor cần một giới hạn
làm việc an toàn ( SOA). Khi đó các điểm làm việc cần nằm trong vùng biên để
tránh hiện tƣợng phá hủy transitor.
-

QP: đƣờng giới hạn transitor làm việc trong chế độ khóa.

-

PU: mỗi transitor đều có một giá trị điện áp VCE lớn nhất có thể chịu đƣợc. Nếu
vƣợt qua giá trị này, transitor sẽ bị phá hỏng.

-

UT: giới hạn hiệu ứng đánh thủng thứ hai của transitor.

-

TS: giới hạn công suất tức thời lớn nhất trên transitor. P = VCEIC. Giá trị này đã bỏ
qua tổn hao công suất qua cực bazo, do tổn hao này rất nhỏ. Do đó, giá trị này sẽ
nhỏ hơn PMAX.

-

SR: đƣờng giới hạn dòng rò IC(max).

-

RQ: đƣờng thể hiện đặc tính bão hòa của transitor.

15


1.5 Transitor trƣờng, MOSFET
MOSFET là linh kiện đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng có điện áp
thấp, tần số cao.Không giống nhƣ transitor, MOSFET là linh kiện với các hạt mang
điện cơ bản, cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực
nhỏ.Cấu trúc của MOSFET đƣợc thể hiện trên hình 1.19. MOSFET có hai loại:
NMOS và PMOS tƣơng ứng với loại kênh N và loại kênh P.

Hình 1.11 Cấu tạo của MOSFET
Đặc tính đóng cắt của MOSFET
Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có thể đóng cắt
với tần số rất cao. Tuy nhiên để có thể đạt đƣợc thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề
điều khiển rất quan trọng.Cơ chế ảnh hƣởng đến thời gian đóng cắt của MOSFET là
các tụ điện ký sinh giữa các cực.
Hình 1.12 thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh tạo ra giữa các phần trong

cấu trúc bán dẫn của MOSFET.Tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc CGS phải
đƣợc nạp đến điện áp Vt trƣớc khi dòng cực máng có thể xuất hiện.Tụ giữa cực điều
khiển và cực máng CDG có ảnh hƣởng tới giới hạn tốc độ đóng cắt của MOSFET.
Các tụ này có giá trị thay đổi tùy vào mức điện áp ảnh hƣởng đến chúng: tụ CGD
thay đổi theo điện áp VDS giữa giá trị thấp CGDl và giá trị cao CGDh khi giảm điện áp
VDS.

16


Hình 1.12 Quá trình mở một MOSFET
a) Sơ đồ
b) Đồ thị dạng dòng điện

a) Quá trình mở
Xét quá trình mở MOSFET làm việc với tải
trở cảm.Trong đó, tải cảm là nguồn dòng nối song
song ngƣợc với diode dƣới điện áp một chiều
VDD. MOSFET đƣợc điều khiển bởi đầu ra của
một vi mạch điều khiển dƣới nguồn nuôi VCC nối
tiếp qua điện trở RGext. Cực điều khiển có điện trở
nội RGint.Khi có xung dƣơng ở đầu vào của mạch
điều khiển, đầu ra của nó sẽ có xung với biên độ
VP đƣa đến trở RGext.
Nhƣ vậy, VGS sẽ tăng với hằng số thời gian
xác định bởi T1 = (Rdr + RGext + RGint)×(CGS +
CGDl), trong đó tụ CGD đang ở mức
thấp do điện áo VDS đang ở mức cao.

Hình 1.13 Dạng sóng quá trình mở

MOSFET dưới ảnh hưởng của quá trình phục

Theo đồ thị, trong khoảng thời

hồi Diot D
17