Đề cương bài giảng điện tử công suất trong công nghiệp

CHƢƠNG 1: PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN
1.1 Nhiệm vụ của điện tử công suất
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng các linh kiện
bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng.
Sự ra đời và hoàn thiện của các linh kiện điện tử công suất như: điốt công suất, thyristor,
GTO, triac, MOSFET công suất, IGBT, SID, MCT… với những tính năng dòng điện,
điện áp, tốc độ chuyển mạch ngày càng được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống
thay đổi một cách sâu sắc.
Trong nghiên cứu điện tử công suất có ba cách tiếp cận:
- Về linh kiện: Nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình diễn ra trong các linh
kiện, các tính năng kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của các linh kiện điện tử công suất
- Về cấu trúc: Nghiên cứu các sơ đồ phối hợp các linh kiện điện tử công suất và
các thiết bị điện – điện tử khác hợp thành mạch động lực nhằm tạo nên các bộ biến đổi
phù hợp với mục đích sử dụng
- Về điều khiển: Nghiên cứu các chiến lược điều khiển khác nhau để tạo nên các
bộ biến đổi điện tử công suất với các tính năng cần thiết. Chú trọng các kỹ thuật điều
khiển nâng cao để tạo nên các bộ biến đổi thông minh, linh hoạt, có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, năng lượng tối ưu.
Sự phát minh ra transistor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockey, tại
phòng thí nghiệm Bell Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956 về vật lý, đã đánh dấu
bước phát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử. Kể từ đó kỹ thuật điện tử phát triển
mạnh mẽ theo hai hướng:
- Kỹ thuật điện tử tín hiệu (điện tử dòng điện yếu) với đặc điểm chủ yếu là xử lý
tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao.
- Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu chuyển mạch đóng – cắt dòng điện lớn,
điện áp cao để thay đối độ lớn, dạng điện sóng, tần số dòng công suất.

1


Hình 1.1: Điện tử tín hiệu và điện tử công suất

1.2 Các phần tử bán dẫn công suất
1.2.1 Diode công suất.
1.2.1.1 Chất bán dẫn
Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện
trở suất nhỏ) và chất không dẫn điện (có điện trở suất lớn). Chất không dẫn điện còn gọi
là chất cách điện hay là chất điện môi.
Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay đổi
trong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ). Nói cách
khác, chất này dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở nhiệt
độ thấp. Đó là chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện)

III
5

IV

V

VI

VII

6

B

C
14

16

15

Si
32

34

33

Ge
50

Se

As
52

51

Sn

S

P

Sb

53

Sb

I

a) Chất bán dẫn trong bảng tuần hoàn các

b) Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp

nguyên tố hóa học
Hình 1.2: Chất bán dẫn

2


Bán dẫn N
Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 5 bảng Mendeleep vào
mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt, với nồng độ 10 10 đến
1018 nguyên tử/cm3. Khi đó các nguyên tử tạp chất thừa một điện tử vành ngoài, liên kết
yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một nguồn năng lượng yếu tạo nên một cặp ion
dương tạp chất và điện tử tự do. Ở điều kiện bình thường (250C) toàn bộ các nguyên tử
tạp chất đã bị ion hóa hết. Ngoài ra hiện tượng phát sinh hạt giống như cơ chế của chất
bán dẫn thuần vẫn xảy ra với mức độ yếu hơn.

Hình 1.3 a) Mô hình cấu trúc mạng tinh thể
b) Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại n

Vậy ta thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng
điện tử gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n. Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại n
gồm điện tử (là các hạt đa số) và lỗ trống (là loại hạt thiểu số) tạo nên
Bán dẫn P

Nếu tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 3 (Al, Ga, In…) bảng
Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất sẽ xuất hiện các liên kết đôi bị
khuyết (gọi là lỗ trống) có khả năng nhận điện tử. Khi kích thích năng lượng, các nguyên
tử tạp chất sẽ bị ion hóa sinh ra một cặp: ion âm tạp chất – lỗ trống tự do. Mô hình mạng
tinh và đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại p cho trên hình 1.4
3


Hình 1.4
a) Cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại p

Mức năng lượng tạp chất nằm sát đỉnh vùng hóa trị tạo cơ hội nhảy mức ào ạt cho
các điện tử hóa trị và hình thành một cặp ion âm tạp chất (không tham gia dòng điện) và
lỗ trống (hạt đa số). Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại p gồm lỗ trống (là các hạt
đa số) và điện tử (là loại hạt thiểu số) tạo nên
1.2.1.2 Chuyển tiếp P-N
Nối P-N là cấu trúc cơ bản của linh kiện điện tử và là cấu trúc cơ bản của các loại
Diode. Phần này cung cấp cho sinh viên kiến thức tương đối đầy đủ về cơ chế hoạt động
của một nối P-N khi hình thành và khi được phân cực.
Bằng nhưng công nghệ đặc biệt, người ta cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n
và loại p tiếp xúc với nhau. Tại nới tiếp xúc sẽ xảy ra các hiện tượng vật lý.
Mặt ghép p-n khi chưa có điện áp ngoài

4


Hình 1.5: Tiếp xúc p-n khi chưa có điện áp ngoài

Do sự chênh lệch lớn vì nồng độ giữa hai loại bán dẫn n và p (nn>>np và pp>>pn)
tại vùng tiếp giáp có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện một

dòng khuếch tán Ikt hướng từ p sang n. Tại vùng lân cận mặt tiếp xúc xuất hiện một lớp
điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số, do đó đồng thời xuất
hiện một điện trường nội hướng từ vùng n (lớp ion dương) sang vùng p (lớp ion âm) gọi
là điện trường tiếp xúc. Điện trường Etx cản trở chuyển động của dòng khuếch tán và gây
ra chuyển động trôi của hạt thiểu số qua miềm tiếp xúc, có chiều ngược lại với dòng
khuếch tán. Quá trình này xảy ra sẽ dẫn tới một trạng thái Ikt = Itr và không có dòng điện
qua tiếp xúc p-n.
Mặt ghét p-n khi có điện trường ngoài
Trạng thái cân bằng động trên bi phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p-n một điện trường ngoài.
Có hai trường hợp xảy ra:

Hình 1.6: Tiếp xúc p-n phân cực thuận

5


Khi đặt điện trường ngoài (Engoài) ngược chiều với Etx (Eng hướng từ p sang n),
trạng thái cân bằng bị phá vỡ, cường độ trường tổng cộng giảm đi, do đó làm tăng
chuyển động khuếch tán Ikt người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt đa số qua miền tiếp
xúc p-n khi nó được mở. Dòng điện trôi Itr do Etx gây ra xuồng gần bằng không. Trường
hợp này ứng với hình 1.6 gọi là phân cực thuận cho tiếp xúc p-n.

Hình 1.7: Tiếp xúc p-n phân cực ngược

Khi Eng cùng chiều với Etx ứng với hình 1.7 , trạng thái cân bằng ban đầu cũng bị
phá vỡ, dòng Ikt giảm tới không, dòng gia tốc có tăng lên nhưng không đáng kể vì do hạt
dẫn thiểu số đóng góp, nhanh tới một giá trị bão hòa. Người ta nói đó là sự phân cực
ngược cho tiếp xúc p-n.
Kết luận: Tiếp xúc p-n có tính dẫn điện không đối xứng, khi bị khóa dòng qua nó
nhỏ trong khi điện áp đặt vào nó (hướng từ n sang p) có giá trị lớn (vài chục vôn) do vậy

tiếp xúc có điện trở tương đối lớn. Khi được mở, tiếp xúc p-n dẫn điện tốt, dòng qua nó
lớn (hướng từ p sang n) trong khi điện áp rơi trên nó nhỏ
1.2.1.3 Điôt công suất (diode)
Cấu tạo
Cấu tạo của một diode bán dẫn gồm một tiếp xúc p-n và hai tiếp xúc để lấy ra 2 điện
cực là anốt (từ vùng p) và katốt (từ vùng n), ký hiệu quy ước trên hình 1.8

6


Hình 1.8 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.

Nguyên lý làm việc
Khi phân cực thuận cho diode: ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P
) và điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) như hình 1.9. Khi điện áp chênh lệch giữ
hai cực anốt và katốt đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode loại Ge ) thì
diode bắt đầu dẫn điện theo chiều anốt đến katốt. Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì
dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng
(vẫn giữ ở mức 0,6V ).

Hình 1.9 Diode phân cực thuận

Hình 1.10 Đường đặc tuyến của điện
áp thuận qua diode

Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận <
0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua
Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V .
Khi phân cực ngược cho diode: Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn
(+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P) như hình 1.11, dưới sự tương

tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối
tiếp giáp, Diode có thể chịu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị
đánh thủng.
7


Hình 1.11 Diode phân cực ngược

1.2.3.4 Điôt đệm
Diode đệm (còn gọi là Diode phóng điện, Diode hoàn năng lượng) là Diode mắc
song song ngược với một phụ tải điện một chiều có tính chất cảm kháng (hình8). Diode
đệm D0 có hai nhiệm vụ:
Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược và ở trạng thái khoá. Dòng
điện tải được cấp từ nguồn một chiều (hình 1.13a). Khi ngắt nguồn (U= 0), do s.đ.đ tự
cảm của của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng trong phụ tải khép kín qua
Diode D0 (hình 1.13b). Nếu không có Diode D0, điện cảm ứng lớn sẽ đặt lên các phần tử
nguồn và có thể phá hỏng chúng, đánh thủng cách điện và nguy hiểm cho người.
Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải
+

I

+

I

R

Do

U=0

U>0

R

L

L
b,

a,

Hình 1.12: Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh sự
giảm về 0 đột ngột của dòng điện

Bình thường, dòng điện phụ tải có tính chất cảm kháng do nguồn cung cấp. Khi
dòng điện phụ tải giảm (đột ngột) hoặc bị ngắt rồi lại có, trong phụ tải sẽ xuất hiện điện
áp cảm ứng qúa độ rất lớn, dẫn đến các nguy hiểm đã nêu cho thiết bị và nguồn. Diode D 0
sẽ cho dòng cảm ứng khép kín qua nó và duy trì dòng tải. Dòng cảm ứng phóng qua D 0 có
độ lớn tuỳ thuộc năng lượng điện từ tích luỹ trong cuộn dây phụ tải tức là tuỳ thuộc trị số
8


độ tự cảm L nhỏ hay lớn. Cường độ dòng điện phóng giảm theo hàm mũ với hằng số thời
gian:  = L/R
Nếu  >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) thì cường độ dòng điện qua tải coi như
không đổi.
1.2.2 Transitor BJT công suất
1.2.2.1 Cấu tạo và ký hiệu

Cấu tạo
Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tuỳ theo trình tự
sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình là pnp và npn như hình 1.13.
Để tạo ra các cấu trúc này, người ta áp dụng những công nghệ khác nhau như phương
pháp khuếch tán, phương pháp hợp kim, …
Miền bán dẫn emitơ (E) có đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn, điện cực nối với
miền này là cực emitơ.
Miền bán dẫn bazơ (B) có nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó cỡ vào m, điện
cực nối với miền này là cực bazơ.

Hình1.13: Cấu tạo transistor

Miền colectơ (C) có nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là colectơ.
Tiếp giáp p-n giữa miền emitơ và bazơ gọi là tiếp giáp emitơ (JE), tiếp giáp p-n
giữa miền bazơ và miền colectơ gọi là tiếp giáp colectơ (JC).

9


Về cấu trúc có thể coi transistor như hai diode mắc đối nhau hình 1.13. Điều này không
hoàn toàn có nghĩa là cứ mắc 2 diode như hình 1.13 là có thể thực hiện chức năng của
transistor. Bởi vì khi đó không có tác dụng tương hỗ lẫn nhau của hai tiếp giáp p-n. Hiệu
ứng transistor chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa hai tiếp giáp nhỏ hơn nhiều so với độ dài
khuếch tán của hạt dẫn.
Ký hiệu

Hình1.14: Ký hiệu của Transistor

Kí hiệu của transistor trên mạch điện cần chú ý là mũi tên đặt giữa cực bazơ và cực
colectơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n.

1.2.2.2 Hoạt động
Nguyên lý hoạt động: Để transistor làm việc cần phải đưa điện áp một chiều tới các
cực của nó, gọi là phân cực cho transistor. Đối với chế độ khuếch đại thì JE phân cực
thuận còn JC phân cực ngược như hình 1.15

Hình 1.15: Sơ đồ phân cực của transistor npn (a) và pnp(b) ở chế độ khuếch đại

10


Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy transistor pnp (b) làm ví dụ: Do JE phân cực
thuận, các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua JE nên tạo thành dòng emitơ (IE).
Chúng tới vùng bazơ và trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ
hướng tới JC. Trên đường đi khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ
tạo nên dòng cực bazơ (IB). Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như hoàn toàn các hạt
khuếch tán tới được bờ của JC và bị trường gia tốc do JC phân cực ngược cuốn qua tới
được miền colectơ tạo nên dòng colectơ (IC). Qua việc phân tích này rút được hệ thức cơ
bản về dòng điện trong transistor (hệ thức gần đúng do bỏ qua dòng ngược của JC ):
IE = I B + I C
Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vào cùng bazơ, người ta định
nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện  của transistor:
β=

IC
IB

hệ số  xác định chất lượng của transistor và có giá trị càng gần 1 với các transistor loại tốt.
Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB tới dòng IC người ta định nghĩa hệ số
khuếch đại dòng điện  của transistor.
β=

IC
IB

 thường có giá trị trong khoảng vài trục tới vài trăm. Từ các biểu thức trên suy ra
được vài hệ thức hay được sử dụng đối với transistor.
IE = IB(1 + ) và α =

β
1+β
11


Xét hoạt động của Transistor npn
Sự hoạt động của Transistor npn hoàn toàn tương tự Transistor pnp nhưng cực tính
của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại . Dòng I C đi từ C sang E còn dòng IB đi từ E sang B
1.2.3 MOSFET
MOSFET là transistor hiệu ứng trường, là một transistor đặc biệt có cấu tạo và
hoạt động khác với transistor thường mà ta đã biết, MOSFET có nguyên tắc hoạt động
dựa trên hiệu ứng trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích
hợp cho khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu, MOSFET được sử dụng nhiều trong các mạch
nguồn monitor, nguồn máy tính.
Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET
Đặc điểm cấu tạo và kí hiệu quy ước của MOSFET có hai dạng cơ bản thể hiện
trên hình 1.16 là loại kênh đặt sẵn và loại kênh cảm ứng.
Trên thân tinh thể bán dẫn tạp chất loại p, người ta pha tạp chất bằng công nghệ
bán dẫn đặt biệt (plasma, khuếch tán ion) để tạo ra hai vùng bán dẫn loại n+ (nồng độ pha
tạp chất cao hơn so với đế) và lấy ra hai điện cực là D và S, hai vùng này được nối thông
với nhau nhờ một kênh dẫn loại n có thể hình thành ngay trong quá trình chế tạo (loại
kênh đặt sẵn hình 1.16 a, b, c, d) hay chỉ hình thành sau khi đã có một điện trường ngoài

tác động (loại kênh cảm ứng hình 1.16 e, f, g, h). Tại phần đối diện kênh dẫn người ta tạo
ra điện cực thứ 3 là cực cửa G sau khi đã đã phủ lên bề mặt kênh một lớp cách điện mỏng
SiO2. Kênh dẫn được cách li với thân đế nhờ tiếp giáp p-n thường được phân cực ngược
nhờ một điện áp phụ đưa tới cực thứ 4 là cực đế U.
12


Hình 1.16: Cấu tạo và ký hiệu của Mosfet
a, b) Loại kênh n đặt sẵn;

c, d) Loại kênh p đặt sẵn

e, f) Loại kênh n cảm ứng;

g, h) Loại kênh p cảm ứng
13


Nguyên lý làm việc của MOSFET
Để phân cực MOSFET người ta đặt một điện áp UDS>0:
Với loại kênh đặt sẵn, xuất hiện dòng điện tử trên dẫn nối giữa S và D và trong
mạch ngoài có dòng cực máng ID (chiều đi vào cực D), ngay cả khi chưa có điện áp đặt và
cực cửa (UGS = 0).
+ Nếu đặt nên cực cửa điện áp UGS > 0, điện tử tự do trong vùng thân (đế) (là hạt thiểu
số) được hút và kênh dẫn đối diện với cực cửa là giàu hạt dẫn điện cho kênh, tức là làm
giảm điện trở của kênh, do đó làm tăng dòng cực máng ID. chế độ làm việc này được gọi
là chế độ là giàu của MOSFET.
+ Nếu đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, quá trình trên sẽ ngược lại, làm kênh dẫn bị
nghèo đi (là điện tử) bị đẩy xa khỏi kênh. Điện trở kênh dẫn tăng tùy theo mức độ tăng
của UGS theo chiều âm sẽ làm giảm dòng ID. Đây là chế độ nghèo của MOSFET. Hình

1.17 cho ta thấy đặc tuyến ra của MOSFET loại kênh n đặt sẵn.

Hình 1.17: Họ đặc tuyến ra của MOSFET
a) Loại kênh đặt sẵn; b) Loại cảm ứng.

Với loại kênh cảm ứng, khi đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, không có dòng cực
máng ID do tồn tại hai tiếp giáp p-n mắc đối nhau tại vùng máng – thân và nguồn và thân,
do đó không tồn tại kênh dẫn nối giữa máng và nguồn. Khi UGS > 0, tại vùng thân đế đối
diện cực cửa xuất hiện các điện tử tự do và hình thành một kênh dẫn điện nối liền hai cực
14


máng và nguồn. Độ dẫn của kênh tăng theo giá trị của UGS do đó dòng điện cực máng ID
tăng. Như vậy MOSFET loại kênh cảm ứng chỉ làm việc với một loại cực tính của U GS và
chỉ ở chế độ làm giàu kênh. Hình 2.43b cho ta thấy đặc tuyến ra của MOSFET loại kênh n
cảm ứng.
Từ họ đặc tuyến ra của MOSFET với cả hai loại kênh đặt sẵn và kênh cảm ứng
giống như đặc tuyến ra của JFET ta xét, thấy rõ có 3 vùng phân biệt: vùng gần gốc ở đó ID
tăng tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc và UGS, vùng bão hòa (vùng thắt) lúc đó ID chỉ
phụ thuộc mạnh vào UGS, Phụ thuộc yếu và UDS và vùng đánh thủng lúc UDS có giá trị khá
lớn.
Hình 1.18 a và b cho ta thấy đặc tuyến truyền đạt của MOSFET loại kênh đặt sẵn
và kênh cảm ứng.

Hình 1.18: Đặc tuyến truyền đạt của MOSFET
a) Kênh đặt sẵn;

b) Kênh cảm ứng

Khi sử dụng FET trong các mạch điện tử cần chú ý tới một số đặc điểm chung nhất

sau:
Việc điều khiển điện trở kênh dẫn bằng điện áp UGS trên thực tế gần như không
làm tổn hao công suất của tín hiệu, điều này có được do cực điều khiển hầu như cách ly
15


về điện với kênh dẫn, so với BJT dòng dò đầu vào gần như bằng không, gần đạt tới lý
tưởng.
Đa số các FET có tính chất đối xứng giữa hai cực D và S. Do đó tính chất của FET
gần như không thay đổi khi đổi lẫn vai trò của hai cực này.
1.2.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor)
Cấu trúc và ký hiệu của IGBT
Cấu trúc bán dẫn IGBT chỉ khác MOSFET ở chỗ giữa Emiter (tương tự với cực
gốc) và Collector(tương tự với cực máng) là cấu trúc bán dẫn n - p - n, chứ không phải là
n - n. Có thể coi IGBT tương đương với một p - n - p transistor với dòng bazơ được điều
khiển bởi một MOSFET.
Ký hiệu của IGBT như hình 1.19
Nguyên lí làm việc của IGBT
IGBT là loại bóng bán dẫn kết hợp hai ưu điểm của transistor bipolar và MOSFET
chịu được dòng lớn ( như loại bipolar) và điều khiển bằng áp ( như MOSFET ). Linh kiện
bán dẫn này là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu
tải lớn của transistor thường .

Hình 1.19: Ký hiệu của IGBT

Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng bằng điện áp, do đó công suất yêu
cầu sẽ cực nhỏ.Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE> 0 kênh dẫn với các hạt mang
16

điện là điện tử được hình thành giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về
phía colector vượt qua lớp tiếp giáp n- p, như ở cấu trúc giữa bazơ và colector ở transistor
thường, tạo nên dòng colector.
Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn so với transistor thường. Trễ khi mở
khoảng 0,15 s như đối với MOSFET, trễ khi khoá khoảng 1s như ở transistor thường.
Công suất yêu cầu để điều khiển IGBT rất nhỏ. Dạng của tín hiệu điều khiển thường
là+15V khi mở và - 15V để khoá lại. Mạch điều khiển IGBT về nguyên tắc không khác
gì so với các mạch điều khiển MOSFET.
1.2.5 Thyristor, GTO
1.2.5.1 Thyristor
Cấu tạo

Hình 1.20: Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ tương đương của Thyristor; loại 22RIA

Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn p1-n1-p2-n2 đặt xen kẽ nhau, ghép lại tạo
thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận p1n1p2 và một Transistor ngược
n1p2n2 ( như sơ đồ tương đương ở trên ).Giữa các lớp bán dẫn này hình thành các chuyển
tiếp p-n lần lượt là J1, J2, J3 và lấy ra 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G,
Thyristor là Diode có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa
dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo
chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn.
17


Nguyên lý làm việc
Để tiện phân tích nguyên lý làm việc của thyristor ta sử dụng sơ đồ tương đương
của nó. Phân tích sơ đồ hình 1.21 để làm rõ nguyên lí làm việc của thyristor.

Hình 1.21: Sơ đồ minh hoạ sự hoạt động của Thyristor

Khi UAK > 0, Thyristor được phân cực thuận:
Nếu IG = 0 thì chuyển tiếp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 phân cực ngược
Thyristor không cho dòng điện chạy qua. Dòng qua tryristor quyết định chủ yếu bởi dòng
dò ngược của J2 có giá trị rất nhỏ.
Nếu IG khác 0 (do U1 cung cấp) vào chân G làm đèn Q2 dẫn kéo theo đèn Q1 dẫn
Thyristor mở cho dòng điện chạy qua. Dòng IG càng lớn thì UAK tương ứng để mở
thyristor càng nhỏ. (IG lớn hơn dòng mở cực tiểu của Q2, nhưng UAK vẫn chưa đủ lớn để
phân cực thuận cho Q1 và Q2 thì thyristor cũng vẫn chưa mở).
Sau khi thyristor được kích thích mở, nếu dòng IG = 0 thì Q1 dẫn, điện áp chân B
đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , như
vậy hai đèn định thiên cho nhau và thyristor vẫn duy trì trạng thái mở cho dòng điện chạy
qua. Muốn vậy phái đảm bảo dòng IE thuận lớn đến một giá trị nhất định gọi là điện áp
ghim (giá trị điện áp cực tiểu của dòng thuận IE). Nếu trong quá trình thyristor mở, IG vẫn
được duy trì thì giá trị dòng Ghim tương ứng sẽ giảm khi IG tăng.
Khi UAK< 0 thì chuyển tiếp J1 và J3 được phân cực ngược còn J2 phân cực thuận
Thyristor không cho dòng điện chạy qua. Dòng qua tryristor chính là dòng dò ngược của
18


diode (giống hệt như dòng ngược bão hòa của diode). Nếu tăng điện áp ngược gần đến
một giá trị nhất định thì 2 chuyển tiếp J1 và J3 sẽ lần lượt bị đánh thủng theo cơ chế thác
lũ và zener, dòng ngược qua thyristor tăng lên đột ngột. Nếu không có biện pháp ngăn
chặn thì dòng ngược này sẽ làm hỏng thyristor.
Trường hợp IG = 0 và UAK> 0, nếu ta tăng UAK đến một giá trị xấp xỉ giá trị đánh
thủng J2 gọi là điện áp đánh thủng thuận. khi điện áp thuật tăng đến giá trị này, dòng IE
đủ lớn dẫn tới làm cho Q1 và Q2 trong sơ đồ tương đương mở và lập tức chuyển sang
trạng thái bão hòa. Thyristor chuyển sang trạng thái mở. Điện áp UAK giảm xuống đến
một giá trị gọi là điện áp dẫn thuận. Phương pháp chuyển thyristor từ khóa sang mở bằng
cách tăng UAK gọi là kích mở bằng điện áp thuận.
1.2.5.2 GTO

Cấu trúc và ký hiệu của GTO
Thyristor khoá bằng cực điều khiển GTO là Thyristor có cấu trúc đặc biệt để cực
điều khiển G có thể thực hiện đồng thời hai chức năng kích mở và kích ngắt. Để thực hiện
được cả hai chức năng mở và ngắt, GTO có cấu trúc đặc biệt như sau:
-

Lớp N2 hay lớp Cathode rất mỏng và kích tạp cao.

-

Lớp P2 hay lớp điều khiển cũng tương đối mỏng và kích tạp cao cùng với N2 hình
thành chuyển tiếp JK.

-

Lớp N1 hay lớp khoá tương đối dày và kích tạp thấp. Chiều dày của nó phụ thuộc
điện áp thuận khi khoá. Cùng với J2 tạo nên chuyển tiếp JC.

-

Lớp P1 được thực hiện bằng việc khuếch tán trong N1, có cùng tính chất như P2.
Lớp P1 cùng với N1 tạo nên chuyển tiếp JA.
19


Điểm đặc biệt của GTO là lớp N2 được thực hiện bằng công nghệ khắc ở vị trí tiếp
xúc với cực điều khiển G, tạo thành cathode dạng các phân đoạn xếp thành các vòng tròn
đồng tâm. Ký hiệu của GTO cho trên hình vẽ:

a)

b)

c)

Hình 1.22: Cấu tạo của GTO
a) Cấu tạo; b) Sơ đồ tương đương; c) Ký hiệu

Trên phiến silic, các đoạn cathode có chiều rộng từ 50 đến 500m, số lượng phụ
thuộc vào dòng điện của linh kiện, có thể hàng trăm đoạn. Các đoạn này được bố trí vòng
quanh Cathode và được nối với nhau bằng một tấm Cathode ghép chặt lên mặt phiến. Cần
đảm bảo tốt tiếp xúc giữa một trong các phiến của lớp N2 và tấm Cathode.
Ta có thể coi GTO như tạo nên bởi nhiều GTO nhỏ mắc song song.
1.2.6 Triac (Triode Alternative Current)
Cấu tạo và ký hiệu của Triac

MT2
P2
N3
MT1

N1

P1

N4
MT2

G

Tr
G

N2

P2

N1

P1

MT1

Hình 1.23: Cấu tạo và ký hiệu của triac
20


Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện đi theo cả hai chiều. Vì vậy định nghĩa
dòng thuận hay dòng ngược đều không có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược.
Việc kích dẫn Triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G. Điều kiện
để Triac đóng điện là đưa xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện
áp trên linh kiện khác là bằng không.
Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng quia Triac. Triac sẽ ngắt theo
quy luật như đã giải thích đối với Thyristor.
Việc đóng mở Triac được thực hiện nhờ một cổng duy nhất G và xung dòng kích
vào cổng G có chiều bất kỳ. Bởi vì Triac dẫn điện cả hai chiều nên chỉ có hai trạng thái,
trạng thái dẫn và trạng thái khoá. Mặc dù vậy có thể định nghĩa Triac có chiều thuận và
chiều nghịch.
Đặc tính V-A của Triac tương tự như của Thyristor do khả năng dẫn điện theo cả
hai chiều đặc tính của Triac có dạng đối xứng qua tâm toạ độ. Cần nói thêm về đặc tính

cổng điều khiển. Việc kích Triac có thể chia ra làm các trường hợp:
-

Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT2T1> 0

-

Mở bằng xung điều khiển UGT1< 0 khi UT2T1> 0

-

Mở bằng xung điều khiển UGT1< 0 khi UT1T2> 0

-

Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT1T2> 0
Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tuỳ ý, nhưng thực tế việc kích thuận lợi hơn

khi dòng kích dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòng qua
triac âm.
1.2.7 Khả năng làm việc của các phần tử bán dẫn công suất
Ta có thể liệt kê một số linh kiên điện tử công suất chủ yếu sau đây:
Đi ốt công suất có dòng điện định mức từ 1A tới 5000A, điện áp định mức từ 10V
tới 10kV và lớn hơn, chuyền mạch với thời gian từ 20ns tới 100  s. Chức năng chủ yếu
của đi ốt là chỉnh lưu và biến đổi DC-DC
Transistor lưỡng cực công suất BJT (Bipolar Junction Transistor) dẫn dòng theo
một chiều khi có dòng bazơ thích hợp. Dòng điện định mức từ 0,5A tới 500A và lớn hơn,
điện áp định mức từ 30V đến 1200V, thời gian chuyển mạch từ 0,5  s tới 100  s. Chức
21

năng chủ yếu là biến đổi DC-DC, phối hợp với đi ốt trong các bộ nghịch lưu. BJT công
suất đang được thay thế bởi FET và IGBT.
Transistor hiệu ứng trường FET (Field Effect Transistor) dẫn dòng điện máng khi
đặt điện áp cổng thích hợp. Các FET công suất (hầu hết là MOSFET) có nôi song song
một điôt ngược. Dòng điện định mức từ 1A đến 100A, điện áp định mức từ 30V đến
1000V. Thời gian chuyển mạch rất nhanh từ 50ns đến 200ns. Chức năng chủ yếu là biến
đổi DC-DC và nghịch lưu.
Transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT (Insulated Gate Bilopar Transistor) là loại
FET đặc biệt có chức năng của BJT và điều khiển công suất bằng FET. IGBT nhanh hơn
và dễ dàng sử dụng hơn BJT cùng công suất. Dòng điện định mức từ 10A đến 600A, điện
áp định mức từ 600V đến 1700V. IGBT được sử dụng phổ biến trong các bộ nghịch lưu
từ 1W đến trên 100kW và được ứng dụng trong các lĩnh vực của điện tử công suất.
Thyristor, còn gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier). Thyristor dẫn dòng điện
tương tự như điôt sau khi đã đưa xung mồi thích hợp, trở về trạng thái khóa khi dòng điện
bằng không. Dòng điện định mức từ 10A đến 5000A, điện áp định mức từ 200V đến 6kV.
Thời gian chuyển mạch từ 1  s đến 200  s. Thyristor được sử dụng trong mọi lĩnh vực
điện tử công suất.
Thyristor khóa bằng cực điều khiển GTO (Gate Turn – Off thyristor) là SCR có thể
khóa bằng cách gửi xung âm tới cực điều khiển. Có thể thay thế cho BJT trong các ứng
dụng đòi hỏi công suất cao. Các đại lượng định mức có trị số tương tự SCR và được sử
dụng trong các bộ nghịch lưu trên 100 kW
TRIAC (Triode Alternative Current) là linh kiện gồm hai thyristor mắc nối song
song ngược và chỉ có một cực điều khiển. Dòng điện định mức từ 2A đến 50A, điện áp
định mức từ 200V đến 800V. Được sử dụng chủ yếu để điều chỉnh đèn, thiết bị điện dân
dụng, công cụ cầm tay, rất tiện dụng trong bộ biến đổi xoay chiều.
Thyristor điều khiển bằng MOSFET MCT (Mosfet Controlled thyristor) là SCR
đặc biệt có chức năng của GTO và cổng điều khiển bằng FET. Nhanh hơn GTO, dễ sử
dụng hơn và được thay thế cho Gto trong một số ứng dụng.
22

Linh kiện cảm ứng tĩnh SCD (Static Induction Device) là linh kiện chuyển mạch
bằng cách điều khiển hàng rào thế ở cổng. Có công suất 100 kW ở tần số 100kHz và 10W
ở tần số 10Ghz. Ưu điểm chủ yếu của SID là tốc độ chuyển mạch cao, điện áp ngược lớn,
điện áp rơi thuận nhỏ.
Bảng 1.1. Trị số cực đại của các linh kiện điện tử công suất
Linh kiện

Năm

Điện áp

Dòng

Tần số

Công

Điện áp rơi

xuất

định mức

điện định

định mức

suất định

thuận

hiện

(Uđm)

mức

(fđm)

mức

U

(Iđm)

(Pđm)

1957

6 kV

3,5 kA

500 Hz

100 MW

1,5V  2,5V

1958

1 kV

100 A

500 Hz

100 kW

1,5V  2V

GTO

1962

4,5 kV

3 kA

2 kHz

10 MW

3 V  4V

BJT

1960

1,2 kV

800 A

10 kHz

1 MW

1,5V  3V

MOSFET

1976

500 V

50 A

1 Mhz

100 kW

3V  4V

IGBT

1983

1,2 kV

400 A

20 kHz

100 kW

3V  4V

SIT

1976

1,2 kV

300 A

100 kHz

10 kW

2V  4V

MCT

1088

3 kV

2 kA

100 kHz

10 MW

1V  2V

Thyristor
(SCR)
Triac

1.3. Các bộ biến đổi điện tử công suất
Ta nhận thấy các linh kiện điện tử công suất cùng với các linh kiện điện tử khác
tạo nên bộ biến đổi nhằm biến đổi công suất vào, được đặc trưng bằng điện áp u1, dòng
điện vào i1 và tần số dòng điện f1, thành các đại lượng đầu ra tương ứng u2, i2 , f2.

23


Hình 1.24: Phân loại các bộ biến đổi

Trên hình 1.24 là quan hệ điện áp, dòng điện, và tần số vào ra xoay chiều và một
chiều được biểu diễn qua các mũi tên thể hiện bản chất bộ biến đổi đó là:
-

Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều: Bộ chỉnh lưu

-

Biến đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều: Bộ nghịch lưu

-

Biến đổi trị số điện áp một chiều: Bộ băm hay bộ điều áp một chiều

-

Biến đổi trị số điện áp xoay chiều, tần số không đổi: Bộ điều áp xoay chiều.

-

Biến đổi tần số dòng điện xoay chiều: Biến tần

24


CHƢƠNG 2: CHỈNH LƢU KHÔNG VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN
2.1. Phân biệt sơ đồ mạch chỉnh lƣu, luật đóng mở van
2.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu
Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng
dòng điện một chiều.
Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Sơ
đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như trên hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

Giải thích:
MBA: Máy biến áp, trong sơ đồ này máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là:
+Chuyển điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2
thích hợp với yêu cầu của tài. Tùy theo tải mà máy biến áp có thể là tăng hoặc

giảm áp.
+ Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu cảu mạch van.
Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van cần dòi hỏi là 6, 12…
Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi
hỏi số pha như lưới thì có thể bỏ qua máy biến áp
MV: Mạch van. Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách
nào để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu.
LỌC: Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp hoặc dòng điện một chiều cấp cho tải là
phẳng theo yêu cầu.
2.1.2 Phân loại
Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: - Phân loại theo số pha nguồn
cấp cho mạch van: Một pha, hai pha, ba pha, sáu pha…
Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van: Hiện nay chủ yếu dùng hai loại
van là điốt và thyristor, vì thế có ba loại mạch sau: Mạch van dùng toàn đi ốt được gọi là
25