GIÁO TRÌNH môn điện điện tử công suất

Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình Điện Tử Công Suất được biên soạn phục vụ giảng dạy môn học
Điện Tử Công Suất cho sinh viên hệ Cao đẳng ngành Điện công nghiệp, nhằm
cung cấp các kiến thức cơ bản liên quan đến các bộ biến đổi công suất.
Nội dung bài giảng môn học điện tử công suất bao gồm sáu bài:
Bài 1: Tổng quan về điện tử công suất, giới thiệu các khái niệm, định
nghĩa. Phần linh kiện công suất giới thiệu một số tính chất cơ bản của các linh
kiện thông dụng như diode, BJT, MOSFET, IGBT, SCR, triac v.v...
Bài 2: Bộ chỉnh lưu, phân tích hoạt động của các bộ chỉnh lưu cơ bản gồm
các bộ chỉnh lưu không điều khiển: bộ chỉnh lưu cầu một pha và tia ba pha; các
bộ chỉnh lưu điều khiển: bộ chỉnh lưu tia ba pha, cầu ba pha, cầu 1 pha. Đồng
thời trình bày phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu, tính toán máy biến áp
v.v....
Bài 3: Bộ biến đổi một chiều, phân tích hoạt động của hai bộ biến đổi cơ
bản: bộ giảm áp và bộ tăng áp. Nội dung bài giảng cũng đề cập đến phương
pháp điều khiển bộ biến đổi một chiều.
Bài 4: Phương thức điều rộng xung, trình bày cấu trúc một số mạch sử
dụng phương thức điều rộng xung, phân tích tổn hao trong mạch và các biện
pháp giảm tổn hao, vấn đề hài tần và các biện pháp giảm sóng hài.
Bài 5: Bộ biến tần, giới thiệu các cấu hình cơ bản của bộ biến tần gián tiếp
và trực tiếp, phân tích các đặc tính của bộ biến tần, so sánh hai loại biến tần trực
tiếp và gián tiếp.
Bài 6: Bộ nghịch lưu, giới thiệu cấu trúc các bộ nghịch lưu một và ba pha,
phân tích hoạt động của các bộ nghịch lưu, các phương pháp điều khiển bộ
nghịch lưu và hài phát sinh trong các bộ nghịch lưu.
Nội dung cuốn sách tập trung trình bày những vấn đề cốt lõi nhất trong
lĩnh vực điện tử công suất, không đặt nặng phần toán học. Mỗi bài đều có một
số bài tập giải sẵn nhằm giúp người học thuận tiện hơn trong quá trình làm bài

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
110


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

tập. Để học tốt môn học này, sinh viên cần nắm vững lý thuyết mạch điện, các
kiến thức điện tử căn bản, lý thuyết về điều khiển tự động và máy điện.
Do đây là lần đầu tiên biên soạn, nội dung tài liệu chắc chắn còn nhiều sai
sót, mong nhận được sự đóng góp, phê bình của các bạn đồng nghiệp và độc
giả. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Điện – Điện tử, trường Cao Đẳng
Nghề Số 8, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai.

TRƯỜNG CAO ĐẲNG

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
111


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Biên Soạn :

Hàng Khắc Phục

GIÀO TRÌNH
Dùng cho các lớp cao đẳng nghề điện
Tài liệu tham khảo
Bình Dương năm 2015

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
112


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1. CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. Định nghĩa về điện tử công suất
Công nghệ chuyển đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác nhờ
ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất.
1.2. Đặc điểm linh kiện điện tử công suất
Phát triển cùng công nghệ chế tạo bán dẫn công suất lớn: diode, BJT,
MOSFET, IGBT, GTO, SCR ….
Làm việc ở chế độ đóng ngắt
Là thành phần cơ bản của bộ chuyển đổi công suất
Có nhiều ưu điểm so với chuyển mạch cơ học: độ bền cao, độ chính xác
cao, tần số chuyển mạch cao.
ứng dụng: dùng để điều khiển các đại lượng ngõ ra: áp, dòng, tần số, công
suất, dạng sóng
Các bộ biến đổi điện tử công suất:
Bộ chỉnh lưu (rectifier): điều khiển biến đổi AC – DC
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC voltage controller) biến đổi AC – AC
Bộ biến đổi điện áp một chiều (chopper): biến đổi DC – DC
Bộ nghịch lưu và biến tần (frequency converter): biến đổi AC – DC – AC
1.3. Trị trung bình của một đại lượng
Xét dòng điện i(t) trong một chu kỳ T
T

1

1
I dc = ∫ i ( t ) dt =
T0
2π

2π

∫ i( ωt ) dt
0

Ví dụ: với áp DC: i(t) = 5(A) suy ra Idc = 5(A)
Với áp AC: i(t) = Imsin ω t suy ra Idc = 0
1.4. Công suất trung bình
Công suất tức thời:

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
113


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

P(t) = u(t).i(t)
Công suất trung bình:
T

PAV

T

1

1
= ∫ p( t ) dt = ∫ u ( t ).i ( t ) dt
T0
T0

Nếu dòng tải không đổi theo thời gian:
PAV = UAV.I
Nếu điện áp trên tải không đổi theo thời gian:
PAV = U.IAV
1.5. Trị hiệu dụng của một đại lượng
T

I RMS =

Ví dụ:

1 2
1
i ( t ) dt =
∫
T0
2π

I RMS =

2π

∫ i ( ωt ) dωt
2

0

Im
2

1.6. Hệ số công suất
λ = PF =

P
S

Muốn tăng hệ số công suất, sử dụng các biện pháp:
Giảm công suất phản kháng Q của hài cơ bản tức bù công suất phản
kháng: bù bằng tụ điện, bù bằng máy bù đồng bộ quá kích thích hoặc
dùng thiết bị bù bán dẫn hiện đại (SVC – static var compensator)
Giảm công suất phản kháng D của các hài bậc cao: tùy theo phạm vi hoạt
động của dãy tần số của sóng hài được bù, ta phân biệt các biện pháp sau
đây:
a. Lọc sóng hài: áp dụng cho các sóng hài bậc cao lớn hơn sóng hài cơ bản
đến giá trị khoảng kHz. Có thể sử dụng mạch lọc cộng hưởng LC. Ví dụ
dùng mạch lọc LC cộng hưởng với bậc 5, 7, 11, .... mắc song song với
nguồn cần lọc.

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
114


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

b. Khử nhiễu: áp dụng cho các sóng bậc cao có tần số khoảng kHz đến hàng

MHz. Các sóng tần số cao này phát sinh từ các mạch điều khiển phát
sóng tần số cao hoặc do quá trình đóng ngắt các linh kiện côn suất, các
sóng hoạt động trong các mạch điện tử có khả năng phát sóng điện từ lan
truyền vào môi trường và gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh hoặc
chính bản thân thiết bị công suất. Một trong các biện pháp sử dụng là
dùng tụ, dùng bọc kim dây dẫn hoặc dùng lưới chống nhiễu.
1.7. Phân tích Fourier
Đối với một tín hiệu biến thiên theo thời gian, ta có thể khai triển theo biểu
thức:
∞
a0 ∞
+ ∑ a n cos ωt + ∑ bn sin ωt
2 n=1
n =1

v0 ( t ) =

Trong đó:
n: bậc hài với n = 1 là hài cơ bản
a0/2: trị trung bình
T

2π

a0 =

2
1
v0 ( t ) dt = ∫ v0 ( ωt ) dωt
∫

T0
π 0

an =

2
1
v0 ( t ) cos nωt.dt = ∫ v0 ( ωt ). cos nωt.dt
∫
T0
π 0

2π

T

T

2π

2
1
bn = ∫ v0 ( t ) sin nωt.dt = ∫ v0 ( ωt ).sin nωt.dt
T0
π 0

1.8. Hệ số méo hài (distortion factor)
Được định nghĩa bằng tỉ số trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản và trị hiệu
dụng của đại lượng dòng điện:
DF =

I ( 1)
I

1.9. Độ méo dạng tổng do sóng hài (total harmonic distortion - THD):
Là đại lượng để đánh giá tác dụng của các song hài bậc cao xuất hiện trong
nguồn điện:
Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
115


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện
∞

∑ I(

2
j)

j =1

THDI =

I ( 1)

Trường hợp đại lượng I không chứa thành phần DC, ta có:
∞

THDI =

∑ I( )
2
j

j =2

I ( 1)

=

I 2 − I (21)
I (1)

Quan hệ giữa DF và THD:
DF =

1
2
1 + ( THD )

1.10. Tính chất tĩnh và tính chất động
Tính chất tĩnh: tổn hao công suất nhiệt trên linh kiện xảy ra khi khóa công suất
đóng hoặc ngắt hoàn toàn. Đối với linh kiện công suất lý tưởng, tổn hao này
không tồn tại, đối với linh kiện điện tử công suất tồn tại hai trạng thái tổn hao:
Sụt áp trên hai đầu linh kiện khi đóng:
- Linh kiện lý tưởng: p f = v f .i f = 0
- Linh kiện công suất thực tế: tồn tại vf nên pf khác 0
Dòng rò qua linh kiện khi ngắt:
- Linh kiện lý tưởng: ir = 0 nên pr = 0
- Linh kiện CS thực tế có tồn tại dòng rò nên pr ≠ 0

Tính chất động:
- Linh kiện CS lý tưởng: thời gian chuyển mạch bằng 0, nên công suất tổn hao
khi chuyển mạch không tồn tại.
- Linh kiện CS thực tế: tồn tại thời gian chuyển mạch (t on, toff khác 0) nên công
suất tổn hao do chuyển mạch khác 0, đồng thời thời gian chuyển mạch này làm
hạn chế tần số làm việc của linh kiện.

U
I
Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng
t nghề
ton
toff
116


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

1.11. Quá trình quá độ và trạng thái xác lập
- Quá trình quá độ liên quan đến đặc tính động của linh kiện CS, là thời gian khi
khóa chuyển từ đóng – ngắt và ngược lại. Quá trình này tương đối ngắn.
- Trạng thái xác lập: khi khóa ở trạng thái đóng hoặc ngắt hoàn toàn, trạng thái
này tồn tại tương đối dài so với thời gina quá độ.
1.12. Chế độ dòng liện tục và gián đoạn
Khi dòng qua khóa > 0 ta có chế độ dòng liện tục, khi dòng qua khóa giảm về 0
ta có chế độ dòng gián đoạn.

id

id

2. CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN
2.1. Diode
Cấu tạo:
Diode được cấu tạo thành bởi một mối nối p-n. để chế tạo diode người ta
khuếch tán bán dẫn tạp chất loại p vào phiến bán dẫn silic loại n, sau đó nối ra
các cực ngoài A và K.

A

K

Ký hiệu:

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
117


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Khi cấp VAK > 0, diode cho dòng if đi qua, diode được phân cực thuận.
Nếu diode ngắt, ta có dòng ir rất bé.
Diện tích, tiết diện phiến bán dẫn qui định khả năng chịu dòng.
Điện trở nguyên liệu ban đầu và bề dày của phiến bán dẫn quyết định khả
năng chịu áp.
Dòng: từ vài A đến vài kA.
Áp: từ vài chục V đến vài kV.
Thời gian phục hồi tính nghịch t rr: để diode phục hồi khả năng khóa sau khi
dẫn thuận chấm dứt có hai loại: nhanh và chậm tương ứng với tần số cao và
thấp.

Đặc tuyến V-A của diode

if

VBR
vr

-400 -200

0,5

vf

ir

vto: điện áp mở
rf : điện trở vi sai thuận (forward)
Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
118


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

rf =

dv f
di f

vBR: điện áp đánh thủng (break down): điện áp đánh thủng diode
rr: điện trở vi sai nghịch (reverse)

rr =

dvr
dir

Đặc tính đóng ngắt:
* Đóng: if lớn, vf rất bé.
* Ngắt: dòng rò ir rất bé, vr lớn
trong các hiện tượng quá độ, quá trình ngắt diode là một quá trình quan trọng.
ir
A

if

L
K

D

S

iD

if

t0

t1

t2

t

t3
Irrmax

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
119


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Tại t0 đóng khóa S.
Đến t1: if = 0, diode tiếp tục dẫn do sự tồn tại các hạt dẫn không cơ bản,
diode tiếp tục dẫn dòng điện theo chiều ngược lại.
Tại t2: các hạt dẫn không cơ bản tiêu tán hết, lúc đó diode khôi phục tính
khóa, dòng qua D giảm đột ngột về 0.
Tại t3: ta có ir = 10% irmax, D khôi phục hoàn toàn tính khóa.
Ta có trr = t3 – t1 là thời gian khôi phục tính nghịch.
vf

t1

t2

t3

0
Ung

URRM
vf

L

diL
dt

RR: reverse recovering

vr = U r − L

diL
dt

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
120

t


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Hiện tượng quá áp xảy ra khi dir/dt lớn, làm thủng diode. Do vậy, cần trang
bị mạch bảo vệ diode công suất:

Mạch này có tác dụng làm giảm tốc độ tăng dòng và giảm tốc độ tăng áp
khóa, quá trình tắt dòng sẽ diễn ra chậm hơn.
Các vấn đề phụ:

Khả năng chịu tải, dòng tải: nếu điện áp lớn cần mắc nối tiếp diode, nếu
dòng tải lớn cần mắc các diode song song.
Trong công nghiệp cần sử dụng các diode chuyên dùng có tần số đóng
mở cao, điện áp cao
2.2. Diac
Cấu tạo: là một diode dẫn hai chiều, ký hiệu:
A2
n1

p1

A1
n2
n3

A2
p2

A1

Đặc tính V-A: gồm hai nhánh nghịch

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
121


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

IA1

UCĐ

UCĐ

U

IA2

2.3. Transistor công suất (Bipolar Junction Transistor)
Cấu tạo

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
122


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Gồm hai mối nối p-n, và ba điện cực
Có hai loại: thuận pnp và nghịch npn
Mạch công suất nối giữa C và E
Mạch điều khiển nối giữa B và E
BJT công suất chỉ làm việc như một khóa công suất đống ngắt và không
làm việc ở chế độ khuếch đại.
Khả năng chịu áp từ vài chục đến vài trăm vôn, khả năng chịu dòng từ vài
chục A đến vài trăm A.
Không có khả năng khóa áp ngược có trị số lớn, chuyên dùng khóa áp
thuận.
Linh kiện điều khiển bằng dòng: đóng dòng I C ở cực chính bằng dòng
điều khiển iB đưa vào cổng điều khiển.
Đặc tuyến V-A

* Đặc tuyến ra của BJT: IC = hfe.IB, với hfe: độ khuếch đại

IBn> IB3

IC
Vùng
dẫn

IB3> IB2
IB2> IB1
IB1> IB0 (0,2A)

IBn = 0
0
Vùng
ngắt

* Đặc tuyến tải

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
123

VCE


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

V = R.I C + VCE

VCE = V − R.I C

Điểm làm việc (operation point) của BJT công suất thuộc vùng bão hòa
Đặc tính đóng ngắt:
* Đặc tính đóng
Khi

iB ≥ iB min BJT dẫn bão hòa. Ta có dòng IC lớn, VCE = Vf nhỏ

* Đặc tính ngắt:
- IC = 0, với iB = 0. Nếu iB < 0 thì giá trị này không được quá lớn vì khả
năng chịu áp ngược giữa B và E nhỏ.
* Đặc tính động:
t1 – t0 = td(on): thời gian trễ của BJT khi đóng
t2 – t1 = ton: thời gian BJT đóng, thời gian này khoảng vài µs.
t4 – t3 = td(off): thời gian trễ của BJT khi đóng.
t5 – t4 = toff: thời gian BJT ngắt, khoảng > 10 µs.
iB

t

iC
90%
10%

t
t0
t1

t4

t2

t3

t5

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
124


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Do công suất tổn hao khi BJT chuyển trạng thái tương đối lớn nên ảnh
hưởng đến tần số làm việc của BJT.
VCE

iC

Mạch kích của BJT:
Tạo dòng iB thích hợp trong mọi điều kiện thay đổi dòng I C trong suốt quá
trình làm việc.
Chức năng của mạch kích: đảm bảo các yêu cầu sau:
Thời gian ton, toff là thấp nhất.
Tạo dòng kích iB lớn hơn iBmin đảm bảo cho BJT dẫn bão hòa nhằm đảm
bảo CCEsat từ đó giảm tổn thất công suất.
Cách ly mạch điều khiển và mạch công suất bằng biến áp xung hay
optocoupler.

MẠCH
KHUẾCH
ĐẠI

Mạch bảo vệ BJT:

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
125


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Bảo vệ BJT khỏi hiện tượng quá áp khi đóng ngắt.
* Khi đóng: Do iC lớn và thời gian t bé nên L

diC
lớn, dẫn đến phá hỏng
dt

BJT. Tác dụng của các phần tử:
 Nhiệm vụ của L là giảm tốc độ tăng dòng di/dt khi đóng BJT.
 Tích năng lượng vào L.
 Xả năng lượng qua L, R, D.

* Khi ngắt: giảm tốc độ tăng áp khóa trên linh kiện, nhiệm vụ của các phần
tử như sau:
 Diode và tụ C: giảm tốc độ tăng áp khóa

dVCE
trên hai đầu điện cực.
dt

 Dòng đi qua D và C hình thành mạch tích năng lượng phụ thuộc thời hằng

của C.
 Mạch xả năng lượng: từ tụ C qua R qua BJT trong lần đóng kế tiếp của
BJT, năng lượng này được xả bằng cách tỏa nhiệt trên R.
c. Một phương pháp giảm dòng kích khi đóng là mắc darlington:

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
126


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Mục đích giảm dòng kích sao cho hfe =

IC
≤ 20
IB

Giả sử IC = 200A, thì iB = 10A. Mà iBchính = ICphụ, suy ra iBphụ = 0,5A. Lợi
được 20 lần.
2.4. MOSFET (Metal Oxide Semiconducter Field Effect Transistor)
Cấu tạo:

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
127


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

- Có hai loại mosfet: kênh P và kênh N. Trong công nghiệp thường sử
dụng kênh N

- Cấu tạo gồm 3 cực ngoài:
Cực D: cực máng (drain)
Cực S: cực nguồn (source)
Cực G: cực cổng (gate)
- Mạch công suất nối với D-S
- Mạch điều khiển nối với G-S
- Để đóng MOSFET cần có điện ápVDS > 0 và VGS > 0. Khi MOSFET đóng
dòng thì cho ID đi qua.
- Lưu ý: MOSFET là linh kiện điều khiển bằng áp, chỉ cần đóng dòng điện
rất nhỏ khoảng vài mA để duy trì MOSFET dẫn.
- Khi VGS = 0 thì MOSFET ngắt.

- Do kênh dẫn chỉ là loại N nên điện trở MOSFET khi dẫn có giá trị lớn,
dẫn đến tổn hao lớn và sụt áp trên MOSFET. Khả năng chịu dòng kém hơn so
với BJT.
Khả năng chịu áp từ vài chục đến vài trăm vôn.
Khả năng chịu dòng từ vài A đến vài chục A.
- Đặc điểm:
Có cấu trúc diode ngược bên trong, do đó trong cấu trúc mạch không cần
mắc thêm diode như BJT.

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
128


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Thời gian đóng ngắt nhỏ nhất trong các linh kiện công suất nên thích hợp
đóng ngắt tần số cao.
Đặc tuyến V-A:

Các cực B, C, E của BJT tương ứng với các cực G, D, S của MOSFET.
Quan hệ theo hàm ID = f(VGS).
Tính chất tĩnh:
- Khi dẫn thì RDS lớn hơn RCE.
- Điện áp trên hai cực DS khi dẫn quan hệ theo hàm:
Uf = RDS(on) . ID
- Công suất tổn hao nhiệt trên Mosfet tính theo hàm:
P = RDS . ID2
Công suất này tương đối lớn.

Vùng
dẫn

VGS4 > VGS3

ID

VGS3 > VGS2
VGS2 > VGS1
VGS1 > VGS0
VGS0 = 0

0
Vùng
ngắt

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
129

VDS

Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Mạch kích MOSFET:
Phải đảm bảo yêu cầu tần số cao

D
G

R
MẠCH
ĐIỀU
KHIỂN

S
D

R

+ Vcc
KHUẾCH
ĐAI
XUNG
OPTRON
- Vcc

Mạch bảo vệ:

0V

Tương tự như mạch bảo vệ BJT
Tính chất động:

VGS
90%
10%
t
VDS
90%
10%
Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
t0

t1

130

t2

t3

t4

t5

t


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

t1 – t0 = to(on) (thời gian trễ khi đóng)
t2 – t1 = ton (thời gian mở MOSFET)
t4 – t3 = to(off) (thời gian trễ khi ngắt)
t5 – t4 = toff (thời gian ngắt MOSFET)
So sánh với các linh kiện khác như BJT, SCR, GTO …. thì thời gian
chuyển mạch của MOSFET là nhỏ nhất.
2.5. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Cấu tạo:

Gồm ba cực ngoài: G, C, E.
Mạch công suất mắc giữa hai cực C và E.
Mạch kích mắc giữa hai cực G và E.
Điều kiện để IGBT dẫn là VCE > 0 và VGE > 0.
Khi VGE = 0 thì IGBT ngắt.

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
131


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Ký hiệu:

C

G
E

Đặc điểm:

Giống như MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở mạch cổng lớn làm hạn
chế công suất tổn hao khi đóng và ngắt. Giống như BJT, linh kiện IGBT có độ
sụt áp khi dẫn điện thấp (~ 2→3V; 1000V định mức) nhưng cao hơn so với
GTO. Khả năng chịu áp khóa tuy cao nhưng thấp hơn so với các thyristor. IGBT
có thể làm việc với dòng điện lớn. Tương tự như GTO, transistor IGBT có khả
năng chịu áp ngược cao.
So với thyristor, thời gian đáp ứng đóng và ngắt IGBT rất nhanh, khoảng
một vài µs và khả năng chịu tải đến 4,5kV-2.000A. Hiện nay công nghệ chế tạo
IGBT đang được đặc biệt phát triển để đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6kV)
và dòng điện vài ngàn Amper.
IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trong
trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho
IGBT.
Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
132


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Modul IGBT thông minh (Intelligent Power Modul): được chế tạo bởi
công nghệ tích hợp cao. Trên modul chứa đựng phần tử IGBT, mạch kích lái,
mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện. Các modul này đạt độ tin cậy rất cao.
Mạch kích IGBT đượt thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET. Do
giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được
chế tạo dưới dạng IC công nghiệp. Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá
tải, ngắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng modul riêng (1,2,4,6 driver) hoặc
tích hợp trên cả modul bán dẫn (hình thành dạng complex (bao gồm mạch lái,
IGBT và mạch bảo vệ)
Đặc tính V-A:
Vùng

dẫn

IC
VGE4 > VGE3
VGE3 > VGE2
VGE2 > VGE1
VGE1 > VGE0
VGE0 = 0
0
Vùng
ngắt

Đặc tuyến quan hệ theo hàm: IC = f(VCE) và tham số VGE.
2.6. Thyristor (SCR – SILICON CONTROL RECTIFIER)
Cấu tạo

Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
133

VCE


Trường Cao đẳng - Khoa Điện - điện

Khi chế tạo, người ta dùng phiến bán dẫn n 1 làm nền, sau đó khuếch tán 2
lớp p1 và p2 lên nền và cuối cùng khuếch tán lớp n2 lên trên lớp p1.
SCR gồm 4 lớp p, n và 3 mối nối. có 3 cực ngoài là G, A, K.
Khả năng chịu dòng và áp lớn: vài kA và vài kV.
Dùng cho các mạch công suất lớn.
Ba trạng thái làm việc của SCR

* Khóa áp thuận: SCR ngắt khi VAK > 0 và không có xung kích.

* Khóa áp ngược: SCR ngắt khi VAK < 0

* Trạng thái dẫn điện: SCR đóng khi
Giáo trình môn điện tử công suất dùng cho sinh viên hệ cao đẳng nghề
134