đồ án thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu 1 pha

Mục Lục
Lời nói đầu .......................................................................................................................3
PHẦN I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ CÁC
VAN BÁN DẪN
1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng của điện tử công suất..................................................5
1.2.Các phần tử bán dẫn công suất và việc điều khiển chúng ……………………………6
1.2.1.Chất bán dẫn
………………………………………………………………...6
1.2.2.Diode công suất …………………………………………………………..8
1.2.3. Tranzitor công suất - (Bipolar Junction Transistor)- (BJT) ………………13
1.2.4. TRANSITOR TRƯỜNG – FIELD EFFECT TRANSISTOR …………..19
1.2.4.1. Khái niệm ……………………………………………………………………..19
1.2.4.2. Transitor JFET (Junction FET) ………………………………………………21
1.2.4.3. Transitor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li) ……………………..25

1.2.5. Thyristor …………………………………………………………………..27
1.2.5.1.Cấu tạo và kí hiệu ………………………………………………..27
1.2.5.2.Đặc tính vôn – ampe ……………………………………………..28
1.2.5.3.Mở và khóa thyristor …………………………………………….29
1.2.5.4.Các thông số cơ bản của Thyristor ………………………………29
1.2.5.5 Đặc tính điều khiển ……………………………………………..32
1.2.6. Triac (Triode Alternative Current) ……………………………………….33
1.2.7. Diac ………………………………………………………………………34
1.2.8. Diode đệm ………………………………………………………………..36
1.2.9. MOSFET ((Insulated Gate Bipolar Transitor) ……………………………37
1.2.10. GTO (GATE TURN-OFF Thyristor ) …………………………………..38

PHẦN II
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

2.1. Nghịch lưu độc lập …………………………………………………………………41
2.1.1. Các khái niệm cơ bản ……………………………………………………..41


2.1.2. Nghịch lưu dòng một pha ………………………………………………...42
2.1.3. Nghịch lưu dòng ba pha …………………………………………………..47
2.1.4. Nghịch lưu áp một pha ……………………………………………………51
2.1.5. Nghịch lưu áp ba pha ……………………………………………………..53

PHẦN III
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BOARD MẠCH
3.1. Tính toán máy biến áp ……………………………………………………………..58
3.2. Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch ………………………………………...59
3.2.1. Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch MOSFET …………………….59
3.3.Thiết kế mạch điều khiển ……………………………………………………………62
3.2.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển ……………………………62
3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển …………………………………………………63
KẾT LUẬN …………………………………………………………..……………...…71


LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết
bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều trong
công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Trong
thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tần
được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng,
trong thiết bị chiếu sáng... Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiều thành
xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động máy bay, tầu
thuỷ, xe lửa...

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu tại trường ĐH
Công Nghiệp Quảng Ninh chuyên ngành điện tử và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực
của hệ thống sản xuất hiện đại. Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến
thức đó vào trong thực tế, chúng em được nhận đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế va
chế tạo mạch nghịch lưu một pha”. Với đề tài được giao em đã vận dụng kiến thức của
mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế
phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm. Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của cô Vũ
Thị Hằng em đã hoàn thành xong đồ án của mình. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức
còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy em rất mong
sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo để đề tài được hoàn thiện
hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!


TÊN ĐỀ TÀI
Thiết kế va chế tạo mạch nghịch lưu một pha
* Số liệu cho trước
- Các giáo trình và tài liệu chuyên môn
- Các trang thiết bị đo
*Nội dung cần hoan thanh:
-

Lập kế hoạch thực hiện.

- Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha.
- Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một
và ba pha.
- Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu:
+ Điện áp đầu vào một chiều U = 12V.

+ Điện áp đầu ra xoay chiều U = 220V - f = 50HZ .
+ Bảo vệ quá điện áp đầu ra 10%
+ Bảo vệ quá dòng điện, quá nhiệt độ cho phần tử công suất
+ Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm.
- Sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật. File mô tả đầy đủ nội
dung của đề tài.


PHẦN I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ
CÁC VAN BÁN DẪN
Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu và
ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất. Nhằm khống chế nguồn năng lượng điện với
các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể
thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải. Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là
đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán
dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi mở
dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van. Khác
với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt các dòng điện mà không
gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn và có khả năng
đóng cắt với tần số rất lớn. Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các
dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển chúng lại được tạo bởi
các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ.
Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộ
biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Quá trình biến
đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất
trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất
điện cần biến đổi. Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các
còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu,
đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất

lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hoá. Đây là đặc tính của các bộ
biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện tử không thể
có được
1.1 . Lịch sử phát triển va ứng dụng của điện tử công suất:
Trong một thời gian dài ứng dụng của kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng trong lĩnh
vực biến đổi tần số cao và trong dân dụng. Sự phát triển của truyền động điện nó đã thúc
đẩy sự ra đời của điện tử công nghiệp từ những năm 1950. Tuy nhiên, những ứng dụng
của chúng cũng bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao,


kích thước nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không và có khí,
các đèn thủy ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển công nghiệp.
Sự phát minh ra tranzitor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockly tại
phòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bước phát
triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử. Đến những năm 1960 do sự hoàn thiện của kỹ
thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn công suất như diode, tiristor, tranzitor
công suất ra đời.
Đến những năm 1970 thì kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên
những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú và nó
đã làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện. Kể từ đây, kỹ thuật điện và điện tử cùng hội
nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển.
Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng
điện lớn, điện áp cao có thể thay đổi với tốc độ lớn.
Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong các
ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng
dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện tự động, giao
thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các
quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất và trong rất nhiều các thiết bị công
nghiệp và dân dụng khác nhau... Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần
tử bán dẫn công suất đó có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn

đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng và sử dụng ngày
càng dễ dàng hơn.
Trong thực tế bộ biến đổi được chế tạo rất đa dạng để có thể hiểu và phân tích được
nguyên lý của các bộ biến đổi, trước hết ta phải tìm hiểu các phần tử bán dẫn công suất.
1.2.Các phần tử bán dẫn công suất va việc điều khiển chúng
1.2.1. 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)
Trong bảng tuần hoàn
(Mendeleep) các nguyên tố bán dẫn
chiếm vị trí trung gian (Hình 1.2.1)
giữa các kim loại và á kim. Điển hình là
Ge, Si… Vì ở phÂn nhóm IV, lớp ngoài
cùng của Ge, Si có 4 điện tử (electron)
và chúng liên kết đồng hoá trị với nhau
tạo thành một mạng bền vững (Hình
1.2.1-2-a).
Hình 1.2.1-1 Các nguyên tố bán dẫn
Khi có một tâm không thuần khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết
trong bán dẫn, dẫn đến những khuyết tật trong mạng tinh thể: nút chân không, nguyên tử
hay ion giữa các nút mạng, sự phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) thì trường điện tuần hoàn của
tinh thể bị biến đổi và chuyển động của các điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện của bán
dẫn cũng thay đổi.

Nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn như In, thì do lớp
điện tử ngoài cùng của In chỉ có ba điện tử nên thiếu 1 điện tử để tạo cặp điện tử đồng
hoá trị. Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 diện tử của nguyên tử Ge lân cận và làm xuất hiện
một lỗ trống (hole) dương
(Hình 1.2.1-b). Ion Ge lỗ trống này lại có thể lấy 1 điện tử của nguyên tử Ge khác để
trung hoà và biến nguyên tử Ge sau thành một lỗ trống mới. Quá trình cứ thế tiếp diễn và
bán dẫn Ge được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive).
Tương tự, nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn như As,
thì do lớp điện tử ngoài cùng của As có 5 điện tử nên sau khi tạo 4 cặp điện tử đồng hoá
trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 điện tử. Điện tử này dễ dàng rời khỏi
nguyên tử As và trở thành điện tử tự do. Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán
dẫn Âm (bán dẫn loại N – Negative).


Khi nhiệt độ chất bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều thì chuyển động
của các phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn.

Hình 1.2.1-2 Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)
Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B, C, Si, Ge,
S, Se…các hợp chất như ZnS, CdSb, AlSb…các ôxyt như
Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các sulfua như ZnS, CdS….
Hiện nay, các chất bán dẫn được dùng rất nhiều trong
các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời sống.

1.2.2.Diode công suất

a) Cấu tạo đặc điểm va phân loại:
-Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN. Diện tích bề mặt tiếp giáp được
chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm2. Mật độ dòng
điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Do vậy dòng điện định mức của một số loại

diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như BB21250. Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.2.2-1


Hình 1.2.2-1: Cấu trúc và ký hiệu của diode công suất
-Điode có 2 loại thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu công suất lớn:
*Diode chỉnh lưu Gecmani (Ge):
Tiếp giáp của diode Ge phần lớn được chế tạo bằng phương pháp làm nóng chảy IN
(indi) với nhiệt độ thích hợp, trong bán dẫn Ge loại N. Miếng bán dẫn Ge được hàn với
nền bằng thép. Tinh thể Ge được đặt trong vỏ bọc hợp kim cova để bảo vệ và liên kết với
bộ phận tản nhiệt.
-Đặc điểm của Diode Ge là điện áp chịu đựng được khoảng 400V, nhưng sụt áp trên
Diode nhỏ nên được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu điện áp thấp. Diode Ge thường bị
đánh thủng do nhiệt độ. Nhiệt độ cho phép của Diode Ge là 75 0C, nên khi làm việc ở
nhiệt độ cao dòng điện ngược tăng lên đáng kể dẫn đến chất lượng chỉnh lưu thấp, do vậy
ta có thể coi nhiệt độ cho phép là nhiệt độ tới hạn của Diode Ge.
*Diode chỉnh lưu silic (Si):
-Diode chỉnh lưu Si được chế tạo bằng cách làm nóng chảy nhôm trong tinh thể Si loại N,
hoặc làm nóng chảy hợp kim thiếc phốt pho, hay vàng antimoan trong tinh thể silic loại
P. Ngoài ra người ta còn chế tạo bằng phương pháp khuếch tán
Phốt pho vào tinh thể Si loại N. Công nghệ chế tạo kiểu khuếch tán thường được áp dụng
cho các loại diode công suất lớn.
-Tinh thể Si và tiếp giáp PN được bọc bởi vỏ kim loại, tinh thể bán dẫn được hàn bằng
hợp kim bạc- antimoan hay vàng- antimoan.
- Diode Si có điện áp ngược cho phép cỡ 2500V, nhưng độ xụt diện áp trên Diode Si cũng
cao hơn Diode Ge. Nhiệt độ cho phép của Diode Si khá cao
tmax = 1250C, và hiện tượng đánh thủng chủ yếu cũng là do nhiệt độ.


b)Nguyên lý lam việc va đặc tính vôn – ampe:
-Khi tiếp giáp PN của diode được đặt đưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện

trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ được mở rộng ra,
nên điện trở tương đương của diode càng lớn và dòng điện xẽ không thể chạy qua. Lúc
này toàn bộ điện áp xẽ được đặt lênvùng nghèo điện tích, ta nói rằng diode bị phân cực
ngược. Hình 1.2.2-2.
-Khi điện trường ngoài ngược chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ bị thu
hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài lớn hơn 0,65V thì vùng nghèo điện tích xẽ thu hẹp lại đến
bằng không, và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc của diode. Dòng điện đi
qua diode lúc này chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài. Khi đó ta nói rằng diode
được phân cực thuận.
Hình 1.2.2-3.

E

+
+

n
E

ng

+

+

p

+

E

ng

-

+

-

p
+
+

-

n

+

-

+
+

-

vùng nghèo các điện tích

Hướng di chuyển các các điện tích

Hình 1.2.2-2.

Hình 1.2.2-3.

*Đặc tính vôn – ampe:


A

U

A

A

U

n g ,m a x

0

U

U
0

D0

m A
§ Æc t Ýn h t h ù c t Õ c ñ a d i o d e

U

U
0

D0

m A
§ Æc tÝn h t u y Õn tÝn h h ã a c ñ a d i o d e

m A
§ Æc t Ýn h l ý t ë n g c ñ a d i o d e

Hình 1.2.2-4.

Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ
nhất ứng với UAK  0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với
UAK  0 hình1.2.2-4.
-Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến vượt quá
giá trị UD0  0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòng điện đi
qua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu như không đổi.
-Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến giá trị Ungmax
thì dòng điện qua diode có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng dò. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị
lớn hơn Ungmax thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cản trở dòng điện
của diode theo chiều ngược bị phá vỡ. Đây là hiện tượng diode bị đánh thủng.
-Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tính hóa
của diode. Biểu thức toán học của đường đặc tính này là:
u = UD0 + iDRD
Trong đó: UD0(V); ID (A); RD ().

-Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép và
điện áp ngược mà diode chịu được. Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương của
diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng theo chiều ngược.


c) Biểu thức giải tích đặc tính V-A
- Đặc tính V-A của diode được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức:
I = Is( - 1)
Trong đó:

Is - Dòng điện rò khoảng vài trục mA.
q - Điện tích của điện tử (q = 1,59.10-19 C).
k - Hằng số Boltzmann (k = 1,38.10-23 J/K).

T = 2730 + t0 - Nhiệt độ nhiệt đối (0K).
t0 - Nhiệt độ môi trường 0C
u – Điện áp đặt trên diode (V)
d)Các tham số cơ bản của Diode
-Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, ID . Trong
quá trình làm việc dòng điện chạy qua diode sẽ làm phát nóng tinh thể bán dẫn của diode.
Công suất tổn hao của diode khi đó sẽ bằng tích dòng điện chạy qua nó với điện áp rơi
trên diode. Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anốt đến catot. Điều này có nghĩa là
công suất phát nhiệt tỷ lệ với dòng điện trung bình qua diode, Vì vậy giá trị ID là một
thông số quan trọng để lựa chọn một diode trong một ứng dụng cụ thể.
-Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chiệu đựng được, Ung,max.
Ung,max là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được, đây
cũng là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode. Như ở đặc tính
vôn – ampe đã chỉ ra, quá trình diode bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược
được, vì vậy trong các ứng dụng thực tế khi lựa chọn diode phải luôn đảm bảo U AK <=
Ung,max .

-Tần số làm việc của diode.
Quá trình phát nhiệt trên diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của diode. Trong
các khoảng thời gian diode mở ra hoặc khóa lại công suất tổn hao tức thời u(t).i(t) có giá
trị lớn hơn luc diode dẫn dòng hoặc lúc đạng bị khóa. Vì vậy nếu tần số đóng cắt cao,
hoặc trong trường hợp thời gian đóng cắt của diode


So sánh được với khoảng dẫn dòng hoặc khóa thì tổn thất trên diode lại bị quy định chủ
yếu bởi tần số làm việc chứ không phải chỉ có giá trị dòng điện trung bình. Các diode
được chế tạo để phù hợp với các dải tần số làm việc khác nhau, nên khi lựa chọn diode
cần phải quan tâm dến tần số làm việc của diode.
-Thời gian phục hồi tr.
Trong các bộ biến đổi thường sẩy ra quá trình chuyển mạch giữa các phần tử, nghĩa là
quá trình dòng điện chuyển từ một phần tử này sang một phần tử khác. Các diode khi
khóa lại có dòng ngược có thể có biên độ rất lớn để di tản các điện tích ra khỏi cấu trúc
bán dẫn của mình trong khoảng thời gian tr, gọi là thời gian phục hồi. Thời gian phục hồi
cũng quyết định tổn thất công suất trong diode. Các diode có thời gian phục hồi rất ngắn
cỡ s, gọi là các diode cắt nhanh. Cần phải phân biệt các diode cắt nhanh với các diode
tần số cao, và tr là một thông số cần quan tâm khi chọn diode.

1.2.3. Tranzitor công suất - (Bipolar Junction Transistor)- (BJT)
a) Cấu tạo va đặc điểm chung
Transitor công suất có cấu tạo, ký hiệu tương tự như Transitor thường với các loại
như NPN hay PNP. Nó cũng được cấu tạo bởi ba miền bán dẫn, được ghép liên tiếp nhau,
miền ở giữa luôn khác tên với 2 miền bên cạnh, tạo nên hai lớp tiếp giáp PN. Nếu miền
bán ở giữa là loại N thì 2 miền bên cạnh là loại P khi đó ta có loại transitor thuận PNP.
Ngược lại nếu miền bán ở giữa là loại P thì 2 miền bên cạnh là loại N khi đó ta có loại
transitor ngược NPN.
- Transior công suất đưa ra ngoài ba cực, cực nối với lớp bán dẫn ở giữa gọi là cực gốc B
(bazơ), cực nối với lớp bán dẫn mà khi làm việc có điện trường ngoài ngược chiều với

điện trường trong gọi là cực phát E (Emitor), cực nối với lớp bán dẫn còn lại là cực C
(Collector).


Collector

Collector

C

p
J1
Baz¬

C

n
J1

B

n

Baz¬

J2
p

E

Emitor

B

p
J2
n

E

Emitor

Hình 1.2.3-1: Cấu trúc và ký hiệu của tranzitor thuận - ngược

Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor công suất thường được sử
dụng như 1 khoá đóng - cắt điện tử. Tiếp giáp của Transitor công suất lớn có diện tích
hàng trục mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục đến hàng trăm Ampe, chịu
được tần số đóng cắt tương đối cao và điện áp làm việc khá lớn, nó còn được gọi là phần
tử khuếch đại chuyển mạch. Transitor có hai điểm làm việc khác biệt. Hình 1.2.3-2 mô tả
sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch.

Hình 1.2.3-2. Bộ khuếch đại chuyển mạch
Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm việc ở hai
trạng thái đóng hoặc cắt hay dẫn - không dẫn.
b). Đường đặc tính lam việc


Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng - cắt được trình bày như
hình vẽ 1.2.3-3. Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc: đóng
hoặc cắt hay dẫn hoặc ngưng dẫn.

Hình 1.2.3-3 Điểm làm việc của công tắc Transitor
Hình vẽ 1.2.3-3. cho thấy Transitor ngừng dẫn ở điểm làm việc A1 (dòng điện IB =
0) chỉ có một dòng điện rò ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp bán dẫn.
Nếu Transitor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đến
A2. Ở đây dòng điện IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn
thì điểm làm việc sẽ chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4. Đến đÂy dòng điện IC tăng rất ít,
có nghĩa là Transitor bị điều khiển quá mức. ở đÂy điên áp UCE giảm xuống bé hơn điện
áp bão hoà UCEsat chúng được gọi là: UCErest
c).Sự điều khiển quá mức của Transitor
Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòng điện
IB quá lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng IC đạt tới cực đại. Ở điều
khiển quá mức thì dòng điện IC thay đổi không còn tuyến tính với dòng IB nữa. Điểm điều
khiển quá mức đạt đến nếu
UBE = UCEsat có nghĩa là UCB = 0. Transitor được điều khiển quá mức nếu nó cần làm việc
như là một công tắc.
Sự điều khiển quá mức có ưu điểm là điện áp dư UCErest rất nhỏ, làm cho công suất tổn
hao bé.


Mức độ điều khiển quá mức được tính toán theo hệ số điều khiển quá mức u nó
chính là tỉ số dòng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đến
giới hạn UCB = 0.
u = IB/IB’,
Thông thường tỉ số này được chọn từ u = 2-5.
d). Khuếch đại chuyển mạch với tải la điện trở
Bộ khuếch đại chuyển mạch bằng Transitor được ứng dụng rộng rãi là bộ chuyển
mạch công suất. Trong trường hợp này tải có thể mắc trực tiếp với cực Collector. Hình
1.2.3-4 và 1.2.3-5 là sơ đồ nguyên lí của một bộ chuyển mạch công suất với tải là điện trở
thuần và miền đặc tính lí tưởng của mạch.

Độ dốc của đường làm việc trên hình 1.2.3-5 được xác định qua độ lớn của điện
trở tải. Ở điểm làm việc A1 (IB = 0A) Transitor không dẫn. ở điểm A2 thì Transitor dẫn.
Vì Transitor điều khiển quá mức nên điện áp UCErest tương ứng nhỏ. Như vậy trong khi
đóng cũng như trong khi cắt mạch điện, điểm làm việc của mạch chuyển dời giữa điểm
làm việc A1 đến A2 dọc theo đường thẳng làm việc đã được điện trở thuần xác định.
Trong thực tế không chỉ có các tải điện trở thuần mà có khi còn có tải điện dung hoặc
điện cảm mắc trong mạch, ví dụ như cuộn dây Rơle hoặc cuộn dây của nam châm điện,
độ tự cảm của chúng trực tiếp làm trở ngại đến quá trình chuyển mạch tiếp giữa các điểm
làm việc. Khi ngắt mạch nhanh các điện cảm này có thể xuất hiện đỉnh điện áp lớn hơn
điện áp nguồn nuôi đặt vào Transitor, do vậy mà có thể dẫn tới tình trạng phá hỏng
Transitor. Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ cho các van công suất.

Hình 1.2.3-4

e). Khuếch đại chuyển mạch với tải la tụ điện

Hình 1.2.4-5


Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương ứng được mô tả
trên hình 1.2.3.-6 và 1.2.3 -7 Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên trở tải vì nếu không
sẽ không có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh.

Hình 1.2.3.-6

Hình 1.2.3-7

Chuyển mạch công suất với tải tụ điện

Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện

f> Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây
Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuển mạch công suất với tải là cuộn dây và
đường đặc tính tương ứng mô tả trên hình 1.2.3-8 và 1.2.3-9.
Trong điểm làm việc A1, Transitor không dẫn nên không có dòng điện chạy qua
Rload và Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường. Trong khoảnh khắc đóng mạch
khi có dòng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng. Lúc đầu nó
nhỏ hơn điện áp nguồn nuôi US và nó nhỏ dần. Chính sức điện động cảm ứng này sinh ra
dòng điện có chiều ngược với chiều dòng IC, nên dòng IC bị tác động chỉ tăng từ từ. Điểm
làm việc chuyển dời trong pham vi quá độ trên đường đặc tính mô tả là phía dưới theo
chiều mũi tên tới làm việc A2.


Hình 1.2.3-8

Hình 1.2.3-9

Chuyển mạch công suất với tải điện cảm

Đường đặc tính làm việc với tải điện cảm

Ở điểm làm việc A2 Transitor dẫn một dòng collector nhất định. Dòng này chạy
qua Rload và Lload. Trong cuộn dây lúc này dự trữ một năng lượng từ trường. Trong khoảnh
khắc ngắt mạch, Transitor không dẫn, như vậy kéo theo một sự cùng đổ vỡ của từ trường
và năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng. Nó xuất hiện một sức điện động tự cảm U L mà
cực dương của nó đặt trực tiếp vào cực C của Transitor, độ lớn của sức điện động tự cảm
này phụ thuộc vào năng lượng dự trữ và sự nhanh hay chóng của quá trình ngắt (thời gian
quá trình ngắt). Lúc này điểm làm việc chuyển dời trong phạm vi quá độ trên đường đặc
tính phía trên theo hướng mũi tên tới điểm làm việc A1.
Qua hiện tượng tự cảm, trong quá

trình ngắt mạch có thể sẽ xuất hiện trên cực
C của Transitor một điện áp quá cao, cao
hơn cả điện áp US. Điều này có thể dẫn tới
tình trạng làm hỏng Transitor, do đó các
mạch có tải là các cuộn dây thường cần có
biện pháp bảo vệ.
Một trong những biện pháp bảo vệ
là người ta thực hiện theo sơ đồ
hình 1.2.3-10
Hình 1.2.3-10 Mạch bảo vệ bằng Diode
cho mạch khuếch đại chuyển mạch công


suất

1.2.4. TRANSITOR TRƯỜNG – FIELD EFFECT TRANSISTOR
1.2.4.1. Khái niệm

( Bipolar Junction Transitor) loại
NPN hay PNP có tổng trở đầu vào
tương đối nhỏ ở cách lắp ráp thông
thường kiểu E chung.

Tinh thể bán dẫn loại N

Điện trường

Đường điện tử

Transitor trường được viết

tắt là FET (Field effect Transitor) là
loại Transitor có tổng trở đầu vào rất
lớn khác với Transitor lưỡng cực
BJT

Hình 1.2.4-1. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của FET
Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trường nằm vuông góc với
đường dòng điện. Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928. Nhưng ứng dụng
thực tế chỉ xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn khác nhau ra đời. Hình
1.2.4-1 mô tả nguyên lí làm việc của FET.
Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vật
liệu bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bán
dẫn nêu trên. Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn loại N được gọi là bán
dẫn kênh N. Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi là kênh P. Sơ đồ dưới đây mô
tả các loại khác nhau của Transitor trường.

Các Transitor trường có 3 chân:
Cực máng D (Drain),
Cực nguồn (Source),


Cực cổng (Gate).
Các cực của Transitor trường so sánh với Transitor BJC
Cực S tương đương với cực Emitter
Cực G tương đương với cực Base
Cực D tương đương với cực Collector
Mỗi loại Transitor trường có một kí hiệu riêng. Nó được tóm tắt trên
hình 1.2.4-2
Transitor trường (FETs)

JFETs (PNFETs)

JFETs kênh N

Kênh N

MOSFETs (IGFETs)

JFETs kênh P

Kênh P

MOSFETs

kênh đặt sẵn

Kênh N

Kênh P

MOSFETs
kênh cảm ứng

MOSFETs
Cổng đôi

Loại5
đặc biệt

VMOSFETs

SIPMOSFETs

Hình 1.2.4-2 Các loại Transitor trường
Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109, ở
MOSFETs thậm chí khoảng 1015 ) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitor
trường có công suất tổn hao gần bằng không. Vì vậy việc ứng dụng Transitor trường rất
rộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs.


Loại

Loại kênh N

JFETs

Loại kênh P
D

G

MOSFETs loại kênh liên tục

S

D
G

D

D

G

S

S

G

S

MOSFETs loại kênh gián đoạn

Hình 1.2.4-3. Ký hiệu Transitor trường
1.2.4. 2. Transitor JFET (Junction FET)
a, Cấu tạo, nguyên lí lam việc
JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối. Gọi tắt là FET. JFET
có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P.
Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ. Cấu tạo của nó bao gồm
có một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung quanh nó một
lớp bán dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa ra điện cực là cực
nguồn S (Source), cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate).
Như vậy hình thành một kênh
dẫn điện loại N nối giữa hai cực D và S,
cách li với cực cổng G dùng làm cực
điều khiển bởi một lớp tiếp xúc bao
quanh kênh dẫn. Đối với JFET kênh P
thì hoàn toàn tương tự. Ký hiệu và cực
tính điện áp phÂn cực cũng như dòng
điện và đặc tính điều khiển cho các
JFET loại kênh N và kênh P như hình

1.2.4-5.

Hình 1.2.4 -4. Mặt cắt của một JFET kênh N


b, Nguyên lí hoạt động
Để phân cực JFET kênh N người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS > 0 và
UGS < 0 như hình vẽ Hình 1.2.4 -4 (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ
ngược lại sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược). Do tác
dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện tử đối
với loại kênh N) hướng từ cực D tới cực S, được gọi là dòng điện cực máng I D.
Dòng IĐ có độ lớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ
thuộc mạnh vào cả hai điện trường này. Điều này có thể giải thích như sau:

ID

-ID

D
G
S
+

-U

D
U

D S

-

G S

G

+

S
+
-

ID

-U G S

U

-U

DS

+

-U

D

G S

-ID

U G S

Hình .1.2.4-5. Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET kênh N và FET kênh P

Khi đặt điện áp -UGS giữa cực G và cực S (hình 1.2.4-4) thì cả hai tiếp giáp PN đều
bị phân cực ngược. Trong chất bán dẫn loại P và N bắtđầu hình thành vùng chắn làm cho
dòng điện không còn chạy qua được giữa hai vùng tiếp giáp PN phân cực ngược. Khi
vùng chắn cứ rộng mãi ra thì dòng điện trong kênh nhỏ dần đi. Trong kênh gần cực
Source là rộng nhất và phía cực Drain thì nhỏ hơn.


Điện áp -UGS càng lớn bao nhiêu thì vùng chắn trong kênh càng lớn bấy nhiêu và
dòng điện chạy trong kênh càng nhỏ đi bấy nhiêu. Độ lớn của điện trở R DS giữa Source và
Drain của JFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp UGS. Như vậy điện áp có thể làm thay
đổi được điện trở RDS. Khi các vùng chắn tiếp xúc với nhau thì dòng điện sẽ bị gián đoạn
và kênh lúc này bị thắt lại. Dòng điện ID lúc này sẽ bằng không. Vì tiếp giáp PN phân cực
ngược nên chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, do đó việc điều khiển dòng điện ID
bằng điện áp -UGS có công suất tổn hao rất nhỏ.
c, Đường đặc tính ra của JFET
Đường đặc tính đầu ra biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện cực máng ID và điện
áp UDS khi UGS bằng hằng số.
Vùng tuyến tính
Khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS. Đây là
vùng làm việc mà JFET giống như điện trở thuần cho tới lúc đường cong bị uốn mạnh
Vùng bão hoà
Khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu vào UDS và phụ thuộc mạnh vào UGS. Đây là
vùng làm việc mà JFET giống như một phần tử khuếch đại, dòng điện ID được điều khiển
bằng điện áp UGS.

Vùng đánh thủng
Khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột biến do tiếp giáp PN bị đánh thủng, hiện
tượng thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp ngược đặt lên tiếp giáp PN tại vùng
này là lớn nhất.
d, Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra:


Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0



Đặt U1 ở gái trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số



Đóng công tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau



Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UDS



Mở công tắc S1, chỉnh U2 về không và U1 thay đổi các giá tri khác nhau



Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS



Giữ nguyên U2 điều chỉnh thay đổi U1



Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS


Phương pháp lấy đặc tính ra của MOSFETs

Đặc tuyến đầu ra của JFET
e, Các tham số của JFET
Tham số giới hạn
Dòng điện IDmax là dòng điện máng cực đại cho phép (ứng với UGS =0)
Điện áp UDSmax là điện áp máng nguồn cực đại cho phép
Điện áp UGSmax là điện áp cổng nguồn cực đại cho phép
Điện áp khoá UGS(P) là điện áp cổng nguồn làm cho dòng ID = 0


Tham số làm việc
Điện trở đầu ra dòng một chiều RDS: RDS = UDS/ID
Điện trở đầu ra dòng xoay chiều rDS: rDS = UDS/ID, rDS thể hiện độ dốc của đường đặc
tính đầu ra trong vùng bão hoà.
Hỗ dẫn của đặc tính truyền dẫn S: S = ID/ UGS cho biết tác dụng điều khiển của điện áp
cực cổng tới dòng cực máng.
1.2.4.3. Transitor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li)
Ở MOSFETs, sự điều khiển không thông qua lớp chắn mà qua một lớp cách điện. Lớp
cách điện này về nguyên tắc có cấu tạo từ oxýt kim loại cũng chính vì vậy mà người ta
gọi la MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor FET). Khi viết tắt người ta cũng thường
hay viết IFET (I: insulated) hoặc IGFET (IG: insulated gate).

MOSFETs được chia làm hai loại: Loại có kênh liên tục hay còn gọi là MOSFETs
có kênh đặt sẵn và loại có kênh gián đoạn còn gọi là MOSFETs có kênh cảm ứng.
MOSFETs có kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi
UGS = 0V.
Ở MOSFETs có kênh gián đoạn thì ngược lại, khi UGS = 0V thì nó không dẫn. Mỗi
loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N hay kênh
P.
a). Cấu trúc va ký hiệu:
-Không giống như Transitor thường được giới thiệu ở phần trên, chúng được điều khiển
bằng dòng điện. Còn MOSFET được điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển
rất nhỏ, do vậy MOSFET có thể được điều khiển trực tiếp từ các đầu ra của các vi mạch
công suất nhỏ.
-Trên hình: 1.2.4-6. biểu diễn cấu trúc của một MOSFET kênh dẫn kiểu n. trong đó G là
cực điều khiển cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn bởi lớp điện môi mỏng silicđioxit
(SiO2) nhưng có cách điện rất lớn. Nếu kênh dẫn là kiểu n thì các hạt mang điện xẽ là các
electron (các hạt điện tử) do đó cực tính điện áp của cực máng là cực dương, còn cực gốc
thường nối với đế P.
-Trên cấu trúc ký hiệu gạch chéo giữa D&S để chỉ ra rằng bình thường không có kênh
dẫn nối giữa D và S.