đồ án BOARD MẠCH POWER TRANSISTORS AND GTO THYRISTOR

Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

PHẦN 1

GIỚI THIỆU BOARD MẠCH POWER
TRANSISTORS AND GTO THYRISTOR

STT

Tên khối mạch

Tên Thuristor
chính trong mạch

Photodiod
e

Zenerdiod
e

MOSFET Loại N

O

X

1

MOSFET

2

IGBT

IGBT

O

X

3

ULTRAL_FAST IGBT

IGBT

O

X

4

BIPOLAR

TRANSISTOR

O

O

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 1


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

TRANSISTOR

5

DARLINGTON
TRANSISTOR

6

GTO THYRISTOR

7

DRIVER

8

LOAD (Z)

TRANSISTOR

O

O

GTO

O

O

A3101, 2N2905

X

O

DIODE, Rcông suất
lớn

O

O

PHẦN 2

Mạch Driver – Mạch Load
A.Mạch Driver:
1. Mạch trên khối DRIVER (DR) như sau:
R 1

+15V

C 1

R 2

U 1

A

+

V -G E N

4

-

6
5

1

DRIVER (DR)

3

2
7

-1 5 V

2. Ta cũng dùng chức năng đo ngắn mạch của VOM. Ta kiểm tra được 2 cực phía bên trái của
khối DRIVER thì không liên tục với điểm nào ở bên phải của khối DRIVER.
3. Và nhưng câu trên thì 2 phía của khối mạch DRIVER cách ly điện hoàn toàn.
4. Bật nguồn. Đặt đầu nối 2 vị trí giữa nguồn dương DC (nối điểm 3 với 6) và ngõ ra cực A của
khối mạch DRIVER ( như trên ). Trên chân đế, xoay núm hiệu chỉnh POSITYVE_SUPPLY hết
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 2


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

cở theo chiều
Vout, max = 11.26V.

kim

đồng

hồ.

Ta

đo

được

áp

Vdc

bằng

VOM

là

:

5. Xoay núm POSITYVE_SUPPLY từ từ theo ngược chiều kim đồng hồ thì ta thấy điện áp ở ngõ
ra VA giảm dần về 0. từ -46,8mV 11,26V.
6. Ta chuyển kết nối từ vị trí 3 và 6 ở mạch trên sang vị trí là 3 với 5, xoay núm xoay
NEGATIVE_SUPPLY hết cở theo chiều kim đồng hồ. Ta dùng VOM đo được điện áp ra của
mạch VA là: Vout, max = -11,26V.
7. Xoay từ từ núm xoay NEGATIVE_SUPPLY theo ngược chiều kim đồng hồ. Ta quan sát được
điện áp ra VA tăng đến giá trị 0V.
8. Nối máy phát tín hiệu vào V-GEN, dạng sóng vuông tần số 10 kHz và thiết lâp mạch như sau:

9. Sử dụng sao động ký đo điện áp dạng sóng ngõ ra VA của khối DRIVER.
10. Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là +10V thì điện áp ngõ ra là: VA = Vout = +5V.
11. Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là – 10V thì điện áp ngõ ra là: V A = Vout = – 5V.
12. Khi ta thiết lập mạch với tầng công suất được cấp bởi nguồn như sơ đồ sau:
R 1

+15V

C 1

R 2

U 1

A

+

V -G E N

4

7

2
-1 5 V

13. Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là +10V thì điện áp ngõ ra:
VA = Vout = +12,5V.
14. Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là -10V thì điện áp ngõ ra:
VA = Vout = -12,5V.
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 3

6
5

1

DRIVER (DR)

3


Báo cáo Đồ án 1


GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

Kết luận: Mạch lái DRIVER (DR) ngõ ra VA có 4 mức lái:
+ Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 5 thì mạch lái có ngõ ra là VA âm.
+ Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 6 thì mạch lái có ngõ ra là VA dương.
+ Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 4 và vị trí 1 với 2 thì mạch lái có ngõ ra là tín hiệu sóng vuông
được khuếch nhưng chỉ có nguồn đơn (+15V).
+ Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 4 và vị trí 1 với 7 thì mạch lái có ngõ ra là tín hiệu sóng vuông
được khuếch đại với nguồn đôi ( 15V).

B.Mạch Load (Z):
1. Ta kết nối khối mạch LOAD (Z) với R1, R2, R3 và L1 nối tiếp nhau như sau:
2

1
B

R 1
10 O hm / 5W

5

9

8

11

4

6
L1
IN D U C T O R

3
R 2
10 O hm / 5W

7

LOAD(Z)

10
C R 1
D 1

C R 2
D 2

C R 3

D 3

R 3
C
1 O hm / 2W

2. Ta dùng VOM đo được tổng trở của mạch LOAD(Z) tại 2 điểm B,C là: Rload = 21,6 .
3. Khi ta thiết lập lại mạch LOAD (Z) chỉ có R1, R3 và L1 nối tiếp thì điện trở tải của mạch đo
được tại 2 điểm B,C là: Rload = 11,6 .
4. Khi ta thiết lập mạch LOAD (Z) với R1, R2 mắc song song và nối tiếp với R3 với L1. Thì điện
trở tải đo được là: Rload = 6,5 .

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 4


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

PHẦN 3

BJT – Bipolar Junction Transistor
A.Giới thiệu và nguyên lý làm việc của linh
kiện:
I.Giới thiệu:
Bipolar Junction Transistor là một loại transistor có hai cực tính, thường gọi tắt là BJT. Đây là 1
loại linh kiện bán dẫn 3 cực có khả năng khuếch đại tín hiệu, hoạt động như 1 khóa đóng mở,
rất thông dụng trong ngành điện tử. Linh kiện này sử dụng cả 2 loại hạt dẫn điện, vì thế người ta

xếp nó vào loại có 2 cưc tính.

II.Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
a.Cấu tạo:
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 5


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

BJT được cấu tạo bởi 2 lớp chuyển tiếp P-N nằm rất gần nhau trong cùng 1 phiến bán dẩn đơn
tinh thể. Về mặt cấu tạo, có thể xem như BJT do 3 lớp bán dẩn tiếp xúc nhau tạo nên, trong đó
lớp ở giửa có bề dày rất bé và khác kiểu dẩn điện với 2 lớp bên canh. Dựa theo cấu tạo đó ta có
thể phân biệt được hai loại transistor là: transistor P-N-Pvà transistor N-P-N. Chẳng hạn lớp ở
giữa là lớp bán dẫn P thì 2 lớp bên cạnh là lớp N, tạo nên transistor kiểu N-P-N, còn lớp giữa
thuộc loại N thì 2 lớp bên cạnh thuộc loại P, tạo nên kiểu P-N-P.

E

C

B
Nồng độ tạp chất trong 3 lớp bán dẫn cũng không giống nhau. Lớp có nồng độ tạp chất cao nhất
(kí hiệu N+ hoặc P+ ), nghĩa là hạt dẫn đa số của nó lớn nhất, gọi là miền phát. Lớp đối diện (kí
hiệu N hoặc P) có nồng độ tạp chất ít hơn, gọi là miền thu. Lớp ở giữa, có nồng độ tạp chất rất
thấp, gọi là miền nền. Các lớp bán dẫn được đặt trong 1 vỏ kín và có ba sợi kim loại thò ra ngoài
ứng với 3 lớp bán dẫn được dùng làm điện cực của transistor. Người ta gọi chúng là cực

emitter(kí hiệu là E), cực base (kí hiệu là B) và cực collector (ki hiệu là C). Mũi tên trên cực E
chính là chiều dòng điện chạy qua cực này.

b.Nguyên lý làm việc:

Mạch thí nghiệm quá trình đóng ngắt của BJT
BJT khi đóng (chuyển từ khóa sang bảo hòa) mất thời gian t on khoảng 1 micro giây và thời gian
tof khoảng vài micro giây. Quá trình chuyển trạng thái không xảy ra tức thời mà có thời gian để
áp UCE và IC thay đổi giá trị. Khi tải trở:
UCE = VCC – Rt.iC
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 6


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

Lúc này áp CE của BJT tăng dần theo quá trình giảm của i C. Như vậy, tuy thời gian rất bé nhưng
BJT vẫn phải chịu dòng lớn và áp cao dẫn đến tổn hao khi đóng ngắt. Hiện tượng này đặc biệt
nghiêm trọng khi tải có Diode phóng điện, lúc này dòng tải qua cuộn dây không thay đổi tức
thời mà chỉ có thể dẫn điện khi BJT tắt hẳn, mối nối CE sẽ chịu nguyên dòng tải cho đến khi VCE
= VCC dẫn đến tổn hao trong quá trình đóng ngắt sẽ tăng cao.
•

Kết luận: Tổn hao trong quá trình đóng ngắt của Transistor rất cao, trong thực tế nó là
nguồn nhiệt chủ yếu là Transistro nóng lên và làm giới hạn tần số đóng ngắt. Để hạn
chế ngoài việc sử dụng mạch lái hiệu quả cần phải chọn đúng loại Transistor và sử
dụng mạch cải thiện.

Mỗi lớp P hoặc N được phân cực theo chiều thuận hoặc chiều nghịch. Dòng i C qua lớp phân cực
nghịch chịu ảnh hưởng lớn của dòng kích iB dẫn qua lớp phân cực thuận. Tính chất cơ bản này
của transistor gọi là điều chế độ dẫn điện của lớp bị phân cực nghịch.
Trong điện tử công suất, transistor BJT được sử dụng để đóng ngắt các mạch điện và thường
được mắc theo mạch có chung emitter.
Trên điện cực B, cổng E là điện áp điều khiển U BE. Điện cực CE được sử dụng làm công tắc đóng
mở mạch công suất. Điện thế điều khiển phải tạo ra dòng i B đủ lớn để điện áp giữa cổng CE đạt
giá trị bằng zero (uCE → 0).
Nếu ta làm cho giá trị UBE thay đổi chút ít với khoảng 0,7V thì IE và IC sẽ thay đổi rất nhiều và làm
cho nội trở BJT cũng sẽ thay đổi theo rất nhiều. Đây là một trong những tính chất quan trọng
của BJT mà chúng ta cần phải nhắc đến.

B.Các đáp ứng và so sánh đặc tính giữa thực
tế với lý thuyết:
I.Các đáp ứng:
a. Nối cực nguồn POWER INPUT và ta thiết lập mạch như sơ đồ sau:

LOAD (Z)
R 1

10 O hm / 5W

R 2

10 O hm / 5W

R 3
1 O hm / 2W

B

R 4
1 O hm

DRIVER
A
(DR)

R 2
510 O hm

R 3

D

Q 1

15 O hm

15V

0 -1 0 V

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 7


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

b. Trên chân để ta vặm núm xoay POSITIVE theo chiều kim đồng hồ hết cở để khối mạch
DRVER là 0V. Bật nguồn cung cấp.
c. Dùng VOM ta đo được điện áp rơi trên R3 là: VR3 = 0V.

⇒

= 0A.

d. Dùng VOM ta cũng đo được điện áp tại 2 cực C, E của Transistor là:
VCE = 12,22V.
e. Xoay núm POSTIVE theo chiều dương của kim đồng hồ để tăng điện áp khối DRIVER cực
đại.
f. Trên kênh 2 của dao động ký ta đo điện áp tại cực C và cực E của Q1 là:
VCE (ON) = 100mV.
g. Thay đổi điện áp 010V trên khối DRIVER và ta vẫn quan sát tín hiệu trên dao động ký.
Khi ta tăng điện áp khối DRIVER lên thì Transistor sẽ dẫn và khi đó V CE giảm dần và đến
lúc VCE = 1V. Ta đo và tính được dòng IB là:

IB =

.

h. Xoay núm điều khiển nguồn dương hết cỡ theo chiều kim đồng hồ sao cho Transistor
bão hoà. Sau khi mạch hoạt động vài phút thì Transistor hơi nóng lên.
i. Ta điều chỉnh nguồn điều khiển để điện áp VCE là 7V và cũng để mạch hoạt động vài phút
thì khi ta chạm tay vào Transistor thì cũng có cảm giác là Transistor nóng.
j. Ta có thể khẳng định: Transistor lưỡng cực nóng không bình thường khi hoạt động trong

vùng tuyến tính của nó và khi nó nóng lên thì điện áp rơi trên Transistor (giữa 2 cực C,E)
có giảm đi 1 ít
⇒ Transistor dẫn mạnh hơn 1 ít khi nó nóng lên.
∗

Dạng sóng chân B:

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 8


Báo cáo Đồ án 1

∗

Dạng sóng chân C:

∗

Dạng sóng CE:

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

II.Đặc tính V – A trong mạch lý thuyết có chung emitter:

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 9

Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

Điểm làm việc gồm dòng IC và UCE.
Trong vùng chứa đặc tính ngõ ra ta có thể phân biệt vùng nghịch, vùng bão hòa và vùng tích
cực:
+ Vùng nghịch: Khi uBE < 0, dòng điện kích iB = 0 → độ lớn dòng iCO giảm →transistor ở chế
độ ngắt.
+ Vùng bão hòa: Khi điện thế uCE nhỏ nhất ứng với giá trị iC cho trước thì giới hạn bão hòa là
trạng thái UCB = 0 và UCB > 0. Khi làm việc trong vùng bão hòa, transistor sẽ đóng nên i C dẫn,
uCE đạt giá trị uCESAT (khoảng 1–2 V), khi tăng dòng điện kích I B > IBSAT thì dòng điện qua
collector không thay đổi. Lúc này UCESAT được gọi là điện thế bão hòa và transistor lúc này ở
trạng thái bão hòa.
+ Vùng tích vực: Là vùng mà Transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại tín hiệu U CE > uCESAT
và dòng iC > ICO. Mối quan hệ giữa UCE và IC là phụ thuộc vào tải và dòng i B. Khi transistor làm
việc như một công tắc đóng mở (switching) thì điểm làm việc không nằm trong vùng này.

III.Đặc tính trong mạch thực tế:
1. Thời gian chuyển mạch và độ sụt áp khi dẫn điện:
a. Nối 2 cực nguồn POWER_INPUT vào board mạch trên chân đế và ta chưa cấp nguồn. Thiết
lập mạch với sơ đồ sau kết nối 1 và 2 ở khối DRIVER (DR):

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 10


Báo cáo Đồ án 1

DRIVER
(DR)

C 1
+

R 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

AN O D E

R 2

LOAD (Z)
R 1

+15V

U 1

A

1

2

V -G E N
S IG N A L A C

R 4

A

A

R 1

-1 5 V

0 -1 0 V
5

+

R 2
510 O hm

6

10 O hm / 5W

1 O hm / 2W

1 O hm

4

3

C ATH O D E

51 O hm

R 3

C 2
R 3C P

D

B
Q 1

15 O hm

15V

0 -1 0 V

b. Bật nguồn V-GEN: với điện áp đỉnh =10Vpp, dạng sóng vuông, tần số 20kHz.
c. Nối kênh 1 của dao động ký để quan sát điện áp trên R4 và kênh 2 quan sát điện áp của
Transistor trên 2 cực C và E của Transistor. Ta thấy:
+ VCE = 12V. Lúc này chắc chắn là Transistor chưa dẫn vì nguồn DC POWER_INPUT thực
chất có 12,23V.
+ Điện áp rơi trên R4 là xấp xỉ 0,23V có thể là do nhiễu của Q1 hay thiết bị Board mạch
đo và do R1 và R3 ở khối LOAD (Z) có công suất lớn nên không có áp rơi trên nó.
+ Nếu Q1 dẫn do nhiễu thì có dòng qua nó là:

IQ1 = IR4 =

d. Lúc điện áp VCE trên Transistor giảm từ 15V 0V tức là lúc Transistor dẫn thì dòng điện qua
Transistor chắc chắn sẽ tăng lên.
e. Khi Transistor dẫn, dòng IC tăng đến biên độ cực đại trong thời gian là: 2 Ta dựa vào điện
áp trên R4 đo ở kênh 1 của dao động ký (có dòng qua Q1 thì mới có điện áp trên R4).
f. Khi Transistor ngừng dẫn, dòng IC thay đổi từ biên độ cực đại xuống biện độ cực tiểu trong
thời gian là: Current tr =1 .
g. Nối dao động ký vào kênh 2 của dao động ký vào 2 cực C,E của Q1 khi Q1 dẫn thì ta quan
sát được điện áp: VCE(ON) = 0,2 V.
2. Công suất chuyển mạch trên tải cảm:
a. Nối nguồn POWER_INPUT vào board mạch trên chân đế và ta cũng chưa bật nguồn. Và
thiết lập mạch với tải cảm như sơ đồ sau:
DRIVER
(DR)

C 1
+

R 1

R 2

AN OD E

U 1

LOAD (Z)
R 1

+15V

A

A

R 1

1
A

V -G E N = 1 0 V p p
2 0 k H z/ S o n g V u o n g

2

R 4
1 O hm

51 Ohm

4
R 2

+

C 2
R 3C P

3
C ATH O D E

-1 5 V
5

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

6

10 O hm / 5W

L2

600uH

D

B
Q1

0 -1 0 V

Trang 11

510 O hm
0 -1 0 V

15 Ohm

15V

Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

b. Cấp nguồn V-GEN cho khối DRIVER là 12Vpp, tần số 20kHz, sóng vuông và nguồn
POWER_INPUT cho mạch.
c. Kênh 2 của dao động ký đo ở cực E và C của Q1, quan sát được VCE = -12V.
d. Khi Transistor dẫn, và dòng IC tăng theo hàm mũ. Ta có thể quan sát trên dao động ký ở
khoảng dẫn của Q1 có mức điện áp không phải là 1 giá trị mà lúc này biên độ của Q1
được tăng theo tuyến tính.
e. Kết luận: Đối với tải cảm bình thường Nguồn POWER_INPUT và khối DRIVER là nguồn
DC thì dòng IC là bình thường không thay đổi. Nhưng ở thí nghiệm này ta có khối mạch
lái DRIVER là tín hiệu AC tần số cao kích vào cực B của Q1 thì sự thay đổi dòng Ic cũng
ở tần số cao và ảnh hưởng của tải cảm là dòng I của Q1 khi dẫn là 1 hàm mủ.
f. Khi Transistor tắt thì dòng IC giảm nhanh về 0A.
g. Từ kết quả trên ta thấy khi Transistor tắt thì dòng I C giảm nhanh, mà dòng giảm nhanh thì
điện áp VCE tăng nhanh. Đây chính là sự quá độ: dòng thì giảm nhanh về 0 còn áp thì tăng
nhanh từ 0 lên cao.
h. Để tránh trường hợp tăng mạnh điện áp ngược ở Q1 trong thời gian quá độ ta có thể
mắc thêm Diode Zener để ổn định điện áp hay diode thường và mắc sao cho khi áp cao
ở cuộn cảm đẩy ra không làm ảnh hưởng đến Q1, tránh tăng mạnh điện áp và giảm biên
độ của sự tăng điện áp.

C 1
+

R 1

DRIVER
(DR)

R 1
R 3
1 O hm

LOAD (Z)

L2

600uH

10 O hm / 5W
C R 3

AN O D E

R 2

U 1

+15V

A

A

R 1

51 O hm

R 4
1 O hm

1
A

V -G E N = 1 0 V p p
2 0 k H z/ S o n g V u o n g

2

4
R 2

+

C 2
R 3C P

3
C ATH O D E

-1 5 V

0 -1 0 V
5

6

510 O hm

D

B
Q 1

15 O hm

15V

0 -1 0 V

i. Như kết quả câu trên: Khi Transistor Q1 vừa tắt thì có dòng chạy qua CR3 trong thời gian
ngắn, nhưng khi Q1 dẫn thì CR3 phân cực ngược nên không có dòng qua nó. Vậy CR3
không dẫn liên tục.
j. Biên độ cực đại của dòng tải khi mạch đang chuyển mạch tại 1 kHz: 1A.
k. Biên độ cực đại của dòng tải khi mạch đang chuyển mạch tại 20 kHz: 0,6A.
l. Khi ta ngắn mạch phần cảm và quan sát dạng sóng của dòng tải: Và cùng với 2 câu trả
lời ở trên
⇒ Phần cảm có hiệu quả rong việc làm phẳng dòng tải.

C. Khi linh kiện hoạt động ở tần số cao:
Khi linh kiện hoạt động với dạng sóng vuông ở tần số 10 kHz:

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 12


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là +10V thì điện áp ngõ ra: VA = Vout = +12,5V.
Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là -10V thì điện áp ngõ ra: VA = Vout = -12,5V.
•

Kết luận: Mạch lái DRIVER (DR) ngõ ra VA có 4 mức lái:

+ Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 5 thì mạch lái có ngõ ra là VA âm.
+ Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 6 thì mạch lái có ngõ ra là VA dương.
+ Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 4 và vị trí 1 với 2 thì mạch lái có ngõ ra là tín hiệu sóng vuông được
khuếch nhưng chỉ có nguồn đơn (+15V).
+ Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 4 và vị trí 1 với 7 thì mạch lái có ngõ ra là tín hiệu sóng vuông được
khuếch đại với nguồn đôi ( 15V).

D.Hiệu quả của mạch cải thiện và mạch bảo
vệ:
I.Mạch cải thiện và mạch kích của BJT:
a.Mạch cải thiện:
Mạch cải thiện quá trình khóa Transistor là mạch Snubber (tương tự như SCR) gồm có Diode D,
điện trở R và tụ điện C. Khi BJT chuyển sang trạng thái khóa, tụ C được nạp qua Diode D bằng
dòng tải của Transistor. Nhờ đó sẽ không có trường hợp dòng tải bị cưỡng bức chạy qua
Transistor trong quá trình đóng ngắt. Điện trở R sẽ hạn dòng qua CE khi BJT dẫn điện trở lại. Giá
trị của điện trở từ 33 đến 150Ohm còn tụ điện C khoảng từ 0.1uF đến 10uF.
Để đẩy nhanh quá trình chuyển mạch giúp tăng tăng tần số làm việc và giảm tổn hao năng
lượng ta cần thiết kế mạch lái với các hiệu quả sau:
+ Giảm ton bằng cách cưỡng bức dòng cực nền cho BJT: ta đưa xung dòng kích I B lớn đầu giai
đoạn kích. Sau khi transistor dẫn, giảm dòng kích IB đến giá trị dòng bão hòa.

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 13


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

+ Giảm tof khi không cho BJT bảo hòa sâu bằng cách giữ VCE không quá bé và cung cấp IB vửa đủ.

BJT đóng ngắt với các linh kiện phụ

b.Mạch kích:
Kích ngắt: để ngắt BJT ta giảm UB dẫn đến U2<0 khi đó điện áp ngược đặt lên BE bằng tổng điện
áp UB và UC→BJT ngắt.

II.Mạch cách ly:
Các mạch phát sinh ra tín hiệu điều khiển mạch công suất dùng bán dẫn thường yêu cầu phải
được cách ly về điện và thường được thực hiện bằng optron hoặc bằng biến áp xung.
Optron: gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (I LED) và mạch thu dùng phototransistor. Tín
hiệu xung điều khiển được đưa vào LED và ngõ ra được dẫn từ phototransistor.
Mạch dùng optron đòi hỏi phải tạo nguồn riêng cho nó. Do đó, mạch phức tạp và tốn kém hơn.

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 14


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

PHẦN 4

MOSFET – Metal Oxide
Semiconductor Field Effect
Transistor
A.Giới thiệu linh kiện và nguyên lý làm việc
của linh kiện:
I.Giới thiệu:
MOSFET là 1 loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Đây là
một loại transistor được điều khiển bằng điện trường (điện áp). MOSFET được sử dụng nhiều
trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kW) nhưng lại không thích hợp sử dụng cho các ứng
dụng có công suất lớn. Tuy nhiên, khi MOSFET được kết hợp với GTO tạo nên 1 loại linh kiện
MTO lại phát huy hiệu quả rất cao và được ứng dụng cho các tải công suất lớn.

II.Cấu tạo - nguyên lý làm việc và ưu – khuyết điểm:
a.Cấu tạo:
∗

Loại kênh P:

D

+ Kênh P không liên tục:

Q
M O S F E T _ K E N H N K h o n g lie n t u c
S

G

D

+ Kênh P liên tục:

Q
M O S F E T _ K E N H N L ie n t u c
S

G

+ Cấu tạo:

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 15


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

. Giữa cổng G (kênh N ”lớp tiếp giáp N”) và cực S và D (kênh P ”lớp tiếp giáp P”), được phân
cách nhau bởi lớp điện môi MOS (Metal Oxide Silicium)  hiệu ứng tụ ký sinh sẽ giảm rất
nhiều so với kết cấu kiểu JFET.
. Trong kênh N chứa 2 cực S (là bán dẫn P) và D (là bán dẫn P). Kênh N được đặt trên miếng
lót nêng (Base) là chất bán dẫn loại P nhằm kích hoạt độ nhậy cảm với tĩnh điện. Nếu đúng
nguyên tắc kỹ thuật, khi ta chạm tay vào MOSFET ta nên đeo vòng nối đất đẻ thoát tĩnh điện,

nhằm tránh làm hỏng hay làm suy yếu MOSFET.
∗

Loại kênh N:

D

+ Kênh N không liên tục:

Q
M O S F E T _ K E N H P K h o n g lie n t u c
S

G

D

+ Kênh N liên tục:

Q
M O S F E T _ K E N H P L ie n t u c
S

G

+Cấu tạo: Giống cấu tạo của loại kênh N nhưng có cấu tạo ngược giữa P với N.

b.Nguyên lý làm việc:
Loại linh kiện này có tính năng và ứng dụng tương tự BJT, nhưng MOSFET lại có ưu điểm hơn là
tổng trở vào và ra lơn hơn nhiều so với BJT Do vậy độ nhạy cùng độ miển nhiễu đảm bảo tốt

hơn so với mạch thiết kế dùng BJT và chắc chắn giá thành sẽ cao hơn BJT. Ngoài ra giữa mối nối
P-N của BJT vẫn tồn tại hiệu ứng tụ (Capacitor Efect) khi mạch hoạt động ở tần số cao hoặc với
những xung kích đóng mở đột biến thì cũng có hiệu ứng tụ (sinh ra tụ kí sinh mà: ZC =
sẽ
gây ảnh hưởng nếu là tần số cao). Bởi vậy MOSFET có ưu điểm là giữa mối nối P-N của MOSFET
là trở kháng và trở kháng này khắc phục tụ kí sinh tần số cao.
MOSFET có thể có cấu trúc P-N-P và N-P-N. Điểm cơ bản của MOSFET là có thể điều khiển kích
đóng và kích ngắt bằng xung điện áp ở mạch cổng. Khi điện áp dương đặt lên giữa cổng G và
Source, tác dụng của điện trường sẽ tạo điều kiện cho phép MOSFET dẫn dòng điện từ cực
Drain (collecctor) tới cực Source (emitter). MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ của mạch ở cổng
kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET có điện trở
khi dẫn điện lớn. Do đó, công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành
linh kiện công suất lớn.
MOSFET ngắt khi điện áp cổng thấp hơn UGS.
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 16


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

MOSFET đóng khi điện áp cổng tác dụng liên tục.

c.Ưu điểm:
+ Tốc độ chuyển mạch nhanh, tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn BJT và IGBT.
+ Tổn hao dẫn bé hơn BJT và IGBT ở vùng dòng điện nhỏ và vừa.
+ Không tốn công suất điều khiển như BJT, ở các mức công suất khác nhau thì mạch điều khiển
không khác nhau nhiều,giúp đơn giản hoá việc thiết kế.

+ Có tuổi thọ rất cao nếu được tính toán tốt.
+ Với vùng điện áp thấp(dưới 50V) và dòng lớn( cỡ trăm Ampe) thì mosfet là sự lựa chọn tốt
nhất.

d.Khuyết điểm:
+ Bị hạn chế về điện áp (<1000V) và dòng điện( cỡ vài trăm Ampes đổ lại).
+ Khi dòng điện tăng thì tổn hao tăng nhanh hơn BJT và IGBT.
+ Chịu quá tải kém, nhậy cảm với nhiệt độ.
+ Giá thành cao hơn BJT và IGBT ở cùng điện áp và dòng điện định mức.
⇒Vì những lý do trên mà MOSFET thường được sử dụng ở cấp điện áp 320VDC( 220VAC sau
chỉnh lưu) và dòng điện vài trăm Ampes trở lại.

B.Đo các đáp ứng và so sánh với lý thuyết:
Các đáp ứng của MOSFET:

a. Nối 2 cực POWER INPUT vào board nhưng chưa bật nguồn. Thiết lập mạch như sơ đồ sau:

LOAD (Z)
R 1

10 O hm / 5W

R 2

10 O hm / 5W

R 3
1 O hm / 2W

B

R 2
1 O hm

D

DRIVER
A
(DR)

R 1
220 O hm

0 -1 0 V

Q 1

S

C R 1

15V

S1

b. Trên bộ chân đế , xoay núm xoay POSITIVE hết cỡ ngược chiều kim đồng hồ để thu được
điện áp 0V. Sau đó ta bật nguồn POWER INPUT.
c. Kênh 2 của dao động ký nối vào cực máng D (Drain) với nguồn S. Ta đo được điện áp:
VDS = 12,5V.
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 17


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

d. Từ câu trên với điện áp V CE = 12,5V (do nguồn POWER INPUT để giá trị 15V nhưng chỉ có
khoảng 12V). Với điện áp như trên thì MOSFET chưa dẫn không cho dòng Drain chạy qua.
e. Khi xoay nguồn dương điều khiển theo chiều kim đồng hồ thì lúc đó MOSFET sẽ dẫn và ta
đo được giá trị điện áp giữa cực máng D và cực nguồn S là
VDS (ON) = 236mV 0V.
f. Dùng VOM ta đo được điện áp rơi trên R1 là 0V (Vì do mật độ hạt điện tại khu vực cực G
được thiết kế rất ít và khi có sự tranh chấp giữa cực máng D của nguồn dương
POWER_INPUT cùng với các hạt điện tại khu vực cực nguồn S khiến cho dòng I G rất bé nên
=> tổng trở GS và GD rất lớn) nên R1 = 0V là đúng.
g. Dòng qua R1 vào cực G của MOSFET là: IG =
.
h. Ta thay đổi nguồn điều khiển vài lần điện áp từ 010V và quan sát kỹ tín hiệu ra ta cũng
nhận thấy được là MOSFET hoạt động như một công tắc được điều khiển bởi dòng G.
∗ Dạng sóng chân G:

∗

Dạng sóng chân D:

∗

Dạng sóng chân D:

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 18


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

C.Hiệu quả của mạch cải thiện và mạch bảo
vệ:
I.Mạch kích MOSFET:
Mạch kích MOSFET tương tự BJT, mạch được cách ly với mạch tạo tín hiệu điều khiển thông qua
biến áp xung, optron hoặc cáp quang.

II.Mạch cách ly:
Cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm cho linh kiện hoạt động tốt mà không cần bảo vệ
nhiều như BJT. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng mạch RC nhỏ mắc song song với ngõ ra của linh kiện
để hạn chế tác dụng các gai điện áp và các xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đóng.

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 19


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

PHẦN 5

IGBT – Insulated Gate Bipolar
Transistor
A.Giới thiệu linh kiện và nguyên lý làm việc
của linh kiện:
I.Giới thiệu:
Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là một linh kiện bán
dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982. Đây là
một linh kiện kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của BJT.
IGBT là một loại Transistor công suất hiện đại được chế tạo dựa trên công nghệ VLSI nên có kích
thước nhỏ gọn. Nó có khả năng chịu được áp và dòng lớn nhưng lại có độ sụt áp vừa phải khi
dẫn điện. Ngoài ra IGBT còn là một phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển
yêu cầu sẽ cực nhỏ.

II.Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
1.Cấu tạo:
Ký hiệu và mạch tương đương:

C

G

Q
IG B T

Q

G

N PN

D

G

S

C

PN P

E

E

Cấu tạo của IGBT giống với SCR và GTO nhưng có thêm phần tử MOSFET với cổng cách điện
được tích hợp. IGBT có cấu tạo gồm hai transistor và phần tử MOSFET được đấu nối giữa hai
cực transistor làm nhiệm vụ điều khiển đóng ngắt. Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với
MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa
emitter ( tương tự cực gốc) với collector(tuơng tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở
MOSFET . Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều
khiển bởi một MOSFET.
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 20


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

2.Nguyên lý hoạt động – vùng làm việc an toàn và ưu - khuyết điểm:
a.Nguyên lý hoạt động:
Dưới tác dụng của áp điều khiển U GE>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được
hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển về phía collector vượt qua lớp
tiếp giáp N-P như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạo nên dòng collector.

b. Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area-SOA):
Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên, bên phải,
tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn. Điều này có nghĩa là khi chu kì đóng cắt càng
ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì khả năng đóng cắt công suất càng suy giảm. Khi đặt
điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển và emitor, SOA lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn do
tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn đến xuất hiện dòng điện lớn đưa vào vùng p của cực điều
khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại như tác dụng đối với cấu trúc
của SCR. Tuy nhiên khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở các phần
tử bán dẫn công suất khác .
Giá trị lớn nhất của dòng cho phép collector được chọn sao cho tránh được hiện tượng chốt giữ
dòng, không khóa lại được, giống như ở SCR. Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất U GE cũng
phài được chọn để có thể giới hạn được dòng điện I CE trong giới hạn lớn nhất cho phép này
trong điều kiện sự có ngắn mạch bằng cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ
tuyến tính. Khi đó dòng ICE được giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp UCE lúc đó.
Tiếp theo IGBT phải được khóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt
quá mạnh . Tránh được hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng collector là
điều cần thiết khi thiết kế IGBT.

c. Ưu điểm: IGBT có ưu điểm là khả năng đóng ngắt nhanh nên thường được sử dụng trong
các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung tần số cao. IGBT cũng giống như MOSFET nên cũng có
điện trở mạch cổng lớn làm hạn chế công suất tổn hao khi đóng ngắt. So với Thyristor thì thời
gian đáp ứng đóng và ngắt của IGBT rất nhanh, khoảng vài us và khả năng chịu tải đến 4,5kV2000A. IGBT có thể làm việc với dòng diện lớn và có khả năng chịu áp ngược cao. Ngoài ra, IGBT

còn có khả năng hoạt động tốt mà không cần mạch bảo vệ, trong trường hợp đặc biệt có thể sử
dụng mạch bảo vệ của MOSFET để ứng dụng cho IGBT.

d. Khuyết điểm: với bản chất là 1 transistor nên IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện thấp (2→3,1000V) nhưng lớn hơn so với các linh kiện thuộc dạng thyristor như GTO. Khả năng chịu áp
khóa tuy cao nhưng thấp hơn so với các Thyristor.
⇒ IGBT hiện là một linh kiện chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp với hoạt động trong
phạm vi công suất lớn đến 10MW và còn có thể cao hơn nữa. Hiện nay, công nghệ chế tạo IGBT
đang được đặc biệt phát triển để có thể đạt được mức điện áp vài ngàn volt (6kV) và dòng điện
lên đến vài ngàn Ampere.

B.Đo các đáp ứng và so sánh với lý thuyết:
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 21


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

Mạch đáp ứng trong thực tế:
Mạch Transistor IGBT được thiết kế như sau:

LOAD (Z)
R 1

10 O hm / 5W

R 2

10 O hm / 5W

R 3
1 O hm / 2W

B

R 2
1 O hm

DRIVER
A
(DR)

C

R 1

Q 1
220 O hm

0 -1 0 V

C R 1

E

S1

15V

a. Trên bộ chân đế, xoay núm xoay POSITIVE của nguồn điều khiển hết cở ngược chiều kim
đồng hồ để thu được điện áp là 0V. Sau đó ta bật nguồn cung cấp POWER_INPUT.
b. Trên kênh 2 dao động ký đo điện áp tại cực C, E của IGBT là: VCE = 12,5V.
c. Xoay nguồn điều khiển theo chiều dương của kim đồng hồ sao cho điện áp cực G của
IGBT tăng đến 10V.
d. Ta đo được điện áp giữa cực C và cực E của IGBT là: V CE (ON) = 1V. Với điện áp này thì cho
thấy IGBT đang dẫn.

e. Ta đo và tính được IG =

.

f. Biến đổi vài lần điện áp điều khiển từ 010V, quan sát tín hiệu trên dao động ký.
g. Kết luận: IGBT hoạt động như một công tắc được điều khiển bởi dòng G, nghĩa là dẫn
điện khi cung cấp điện áp cho cực G và ngắt điện khi không cung cấp điện áp cho cực G.
∗

Dạng sóng chân GE:

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 22


Báo cáo Đồ án 1

∗

Dạng sóng chân CE:

∗

Dạng sóng chân C:

∗

Dạng sóng IC khi IGBT tắt:

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

Trang 23


Báo cáo Đồ án 1

∗

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

Dạng sóng CE khi IGBT tắt:

C.Hiệu quả của mạch cải thiện và mạch bảo
vệ:
I.Mạch kích của IGBT:
a.Kích dẫn: Ta có thể kích dẫn IGBT bằng cách đưa xung điện áp vào cổng kích G. Đặc tính V –
A của IGBT tương tự MOSFET. Khi đặt lên cổng G điện thế dương thì các hạt mang điện loại n
được kéo vào kênh p làm giàu điện tích mặt cổng p nên transistor N-P-Ndẫn điện, dẫn đến IGBT

dẫn điện.

b.Kích ngắt: Ta có thể kích ngắt IGBT bằng cách khóa điện thế cấp cho cổng kích ngắt kênh dẫn
p.
⇒ Mạch kích của IGBT rất đơn giản.

II.Mạch cách ly:
SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 24


Báo cáo Đồ án 1

GVHD: ThS. Hoàng Trung Hiếu

Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao, từ 2 đến hàng chục
kHz. Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến
phá hỏng toàn bộ thiết bị. Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc
từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp.
Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên quá tải dòng
điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá
hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt. Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi
dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức
đánh thủng phần tử. Trong sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những
xung ngắn theo qui luật như cũ, cũng không đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng
điện được.
Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các mạch dập RC
(snubber circuit), mắc song song với các phần tử. Tuy nhiên các mạch dập có thể làm tăng kích
thước và giảm độ tin cậy của thiết bị. Giải pháp tối ưu được đưa ra là làm chậm lại quá trình

khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (soft turn-of) khi phát hiện có sự cố dòng tăng quá
mức cho phép.
IGBT thì có nội trở đo được sẽ lớn hơn nhiều so với MOSFET. Nếu không lắp trở giữa G-S thì sau
khi kích gate, nó sẽ giữ ở mức trở như vậy. Cho đến khi có tác động vào cực G (cho dù chỉ chạm
que đo hoặc ngón tay vào G). Và chúng rất dễ chết trong thời điểm đó. Vì vậy, nên lắp 1 điện trở
1K vào G và S khi dùng phương pháp kích gate.

SVTH: Huỳnh Trinh Mỹ

Trang 25