Giáo trình điện tử công suất

8 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT Chữ viết tắt Nghĩa của từ ĐAMC Điều áp một chiều ĐAXC Điều áp xoay chiều ĐTCS Điện tử công suất TBĐT Thiết bị điện tử TBĐTCS Thiết bị điện tử công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

Giáo trình

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Trần Văn Thịnh

HÀ NỘI 03/2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

Giáo trình

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Trần Văn Thịnh

HÀ NỘI 03/2021

1

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại 4.0, điện tử công suất, là một lĩnh vực khoa học quan trọng không thể thiếu trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ và kỹ thuật Điện, Điều khiển và tự động hóa và Điện tử - Viễn thông Môn học điện tử công suất (ĐTCS) là môn học lý thuyết cơ sở cho các chuyên ngành Điện, Điều khiển và tự động hóa … Môn học cung cấp cho sinh viên các phương pháp phân tích, tổng hợp mạch và ứng dụng để giải các bài toán cụ thể

Trong chương trình đào tạo ngành “Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa” của trường Đại học Mở Hà Nội, môn học ĐTCS là môn học tiếp theo của môn học kỹ thuật điện tử, nó sẽ là cơ sở cho nhiều môn học cơ sở và chuyên ngành tiếp theo

Nội dung giáo trình gồm 6 chương: Chương 1 Linh kiện bán dẫn công suất; Chương 2 Các bộ biến đổi AC-DC; Chương 3 Các bộ biến đổi DC-DC; Chương 4 Các bộ biến đổi AC-AC; Chương 5 Nghịch lưu độc lập – biến tần; Chương 6 Bảo vệ thiết bị ĐTCS

Với kinh nghiệm nhiều năm giảng dạy và thực hành trong lĩnh vực ĐTCS, khi biên soạn giáo trình tác giả đã cập nhật nhiều kiến thức mới cả lý thuyết và thực tế phù hợp với trình độ sinh viên, tác giả đã cố gắng không đưa vào những kiến thức quá cao làm cho người đọc thấy ngại môn học mà đưa nhiều kiến thức thực tế

Tinh thần chung của tác giả khi viết giáo trình này là cung cấp nhiều tính ứng dụng Tinh thần này được thể hiện là có nhiều ví dụ minh họa thực tế trong nội dung bài học, và bài tập ứng dụng Nội dung của phần thực hành này gồm 5 thể loại: ví dụ, câu hỏi ôn tập, câu hỏi trắc nghiệm, bài tập có lời giải và bài tập cho đáp số

Tài liệu dùng làm giáo trình chính cho môn học "Điện tử công suất" của trường Đại học Mở Hà Nội Có thể dùng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư chuyên ngành Điện, Điều khiển và tự động hóa …

Trong quá trình biên soạn, tác giả đã nhận được sự động viên và tạo điều kiện rất nhiều của lãnh đạo khoa Công nghệ Điện tử và Thông tin, trường đại học Mở Hà Nội, các bạn đồng nghiệp của trường Đại học Mở và Đại học Bách khoa Hà Nội (nơi tác giả đã làm việc nhiều năm), tác giả rất trân trọng những động viên và tạo điều kiện này Tác giả cũng chân thành cám ơn TS Lê Thị Thúy Nga và TS Nguyễn Thế Công

đã dành thời gian đọc phản biện cho Giáo trình này và cho những góp ý quý báu

Mặc dụ đã có nhiều cố gắng, nhưng không tránh khỏi sai sót Tác giả rất mong nhận được những đóng góp của bạn đọc tài liệu này Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Khoa Công nghệ Điện tử và Thông tin, trường Đại học Mở Hà Nội, địa chỉ: B01 Phố Nguyễn Hiền, Bách Khoa, Hai Bà Trưng, Hà Nội 100000

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

2

3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

Chương 1 LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT 10

1.1 Điốt công suất 10

1.1.1 Cơ bản về điốt 10

1.1.2 Cấu tạo điốt công suất 12

1.1.3 Đặc tính và thông số điốt công suất 13

1.1.4 Một số điốt đặc biệt 19

1.2 Thyristor 22

1.2.1 Nguyên lý cấu tạo thyristor công suất 23

1.2.2 Hoạt động của thyristor 23

1.2.3 Đặc tính và thông số của thyristor 25

1.3 Triac 33

1.3.1 Cấu tạo triac 33

1.3.2 Nguyên lý hoạt động 34

1.3.3 Đặc tính và thông số 34

1.3.4 Chuyển mạch Triac và mạch điều khiển cổng G 36

1.4 Transistor lưỡng cực (BJT) 36

1.4.1 Cấu tạo và hoạt động của tranzito lưỡng cực (BJT) 37

1.4.2 Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của BJT công suất 38

1.4.3 Đặc tính I-U của transistor công suất 41

1.4.4 Cấu trúc darlington của transistor công suất 46

1.4.5 Đặc tính chuyển mạch của BJT công suất 46

1.5 Mosfet công suất 50

1.5.1 Cấu tạo và hoạt động của mosfet 50

1.5.2 Đặc tính của mosfet 53

1.5.3 Các thông số của mosfet công suất 59

1.5.4 Điều khiển gate MOSFET 62

1.6 Transistor lưỡng cực cổng cách ly 64

1.6.1 Cấu tạo và hoạt động của IGBT 65

1.6.2 Thông số của IGBT 67

1.6.3 Đặc tính của IGBT 68

4

1.6.4 Hoạt động an toàn của IGBT 70

1.6.5 Lưu ý khi sử dụng 72

Câu hỏi và bài tập chương 1 76

Chương 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC 83

2.1 Phân loại chỉnh lưu 84

2.2 Những vấn đề cơ bản của chỉnh lưu 85

2.2.1 Sơ đồ tổng quát chỉnh lưu cấp điện từ nguồn lưới công nghiệp 85

2.2.2 Thông số cơ bản của chỉnh lưu 86

2.3 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ 87

2.3.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ không điều khiển 87

2.3.2 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ có điều khiển 90

2.4 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính 92

2.4.1 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính không điều khiển 92

2.4.2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính có điều khiển 94

2.5 Chỉnh lưu cầu một pha 97

2.5.1 Chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển 97

2.5.2 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 98

2.5.3 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng 99

2.6 Chỉnh lưu tia 3 pha 100

2.6.1 Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển 100

2.6.2 Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển 102

2.7 Chỉnh lưu cầu 3 pha 104

2.7.1 Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 104

2.7.2 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng 106

2.7.3 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng 111

2.8 Chỉnh lưu có điốt xả năng lượng 112

2.9 Chuyển mạch của các sơ đồ chỉnh lưu 114

2.9.1 Quá trình chuyển mạch 114

2.9.2 Điện áp tải khi trùng dẫn 116

2.9.3 Chuyển mạch ở một số mạch chỉnh lưu cơ bản 116

2.10 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc trả năng lượng về lưới của chỉnh lưu 118

2.10.1 Bản chất của chế độ nghịch lưu phụ thuộc 118

2.10.2 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc của mạch một pha 120

5

2.10.3 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc ba pha 121

122

2.11 Đặc tính ngoài của chỉnh lưu 122

2.11.1 Đặc tính ra của chỉnh lưu theo góc điều khiển 122

2.11.2 Đặc tính tải của chình lưu 122

2.12 Khái quát về điều khiển chỉnh lưu 123

2.12.1 Mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng 123

2.12.2 Thiết kế mạch điều khiển bằng mạch số 124

Câu hỏi và bài tập chương 2 126

Chương 3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 132

3.1 Khái quát về điều khiển điện áp một chiều 133

3.1.1 Băm xung điện áp một chiều 133

3.1.2 Phân loại sơ đồ băm áp một chiều thường gặp 137

3.2 Băm xung không biến áp 139

3.2.1 Bộ băm giảm áp (buck converter) 139

3.2.2 Bộ băm biến đổi tăng áp (boost converter) 143

3.2.3 Bộ băm tăng và giảm áp (buck–boost converter ) 147

3.2.4 Bộ băm hỗn hợp (Cuk converter) 149

3.3 Bộ băm có biến áp 151

3.3.1 Bộ băm tích lũy năng lượng (Flyback) 151

3.3.2 Bộ biến đổi Forward 158

3.3.3 Bộ biến đổi đẩy kéo 161

3.3.4 Bộ biến đổi nửa cầu (Half-Bridge Regulators) 162

3.3.5 Bộ biến đổi cầu (Full-Bridge Regulators) 164

Câu hỏi và bài tập chương 3 165

Chương 4 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI AC-AC 171

4.1 Khái quát về các bộ biến đổi AC-AC 172

4.1.1 Các mạch biến đổi AC-AC truyền thống 172

4.1.2 Các mạch cơ bản của ĐAXC một pha bằng bán dẫn 172

4.2 Điều khiển xoay chiều bằng phương pháp đóng/cắt 174

4.3 Điều khiển pha không đối xứng 177

4.3.1 Nguyên lý hoạt động của điều khiển pha không đối xứng 177

4.3.2 Các quan hệ cơ bản của sơ đồ 178

6

4.4 Điều khiển pha đối xứng 180

4.4.1 Điều khiển pha đối xứng tải thuần trở 180

4.4.2 Điều khiển pha tải RL 184

4.5 Một số sơ đồ mạch ĐAXC ba pha 190

4.6 Điều áp xoay chiều ba pha có tải nối Y không dây trung tính 193

4.6.1 Hoạt động của ĐAXC 3 pha tải nối Y không dây trung tính 193

4.6.2 Điều áp xoay chiều ba pha tải thuần trở nối Y không trung tính 195

4.6.3 Điều áp xoay chiều ba pha tải RL nối Y không trung tính 199

4.7 Điều áp xoay chiều ba pha có tải nối  200

4.7.1 Hoạt động tương đương của tải nối tam giác và nối sao 200

4.7.2 Hoạt động của ĐAXC ba pha tải nối  200

4.8 Điều khiển bộ điều áp xoay chiều 205

Câu hỏi và bài tập chương 4 205

Chương 5 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN 211

5.1 Phân loại biến tần 211

5.1.1 Phân loại theo cấu trúc vật lí 211

5.1.2 Phân loại theo linh kiện bán dẫn sử dụng 212

5.1.3 Nghịch lưu nguồn áp và nguồn dòng: 213

5.2 Nghịch lưu nguồn áp 214

5.2.1 Nghịch lưu nguồn áp một pha: 214

5.2.2 Nghịch lưu nguồn áp ba pha 220

5.3 Nghịch lưu nguồn dòng 223

5.3.1 Nghịch lưu nguồn dòng một pha: 223

5.3.2 Nghịch lưu nguồn dòng ba pha 225

5.4 Nâng cao chất lượng điện áp ra của nghịch lưu độc lập 226

5.4.1 Sóng hài của điện áp nghịch lưu 226

5.4.2 Điều khiển điện áp ra: 229

5.4.3 Hạn chế sóng hài nâng cao chất lượng điện áp ra của nghịch lưu 231 5.4.4 Các phương pháp PWM khác 235

5.5 Nghịch lưu cộng hưởng 239

5.5.1 Khái quát về mạch cộng hưởng 239

5.5.2 Ưu điểm mạch cộng hưởng 240

5.5.3 Các dạng mạch cộng hưởng 240

7

5.6 Mạch điều khiển nghịch lưu 246

5.7 Biến tần: 251

5.7.1 Biến tần trực tiếp: 251

5.7.2 Biến tần có trung gian một chiều: 252

Câu hỏi và bài tập chương 5 254

Chương 6 BẢO VỆ THIẾT BỊ ĐTCS 261

6.1 Hư hỏng do điện áp 261

6.1.1 Nguyên nhân gây quá điện áp 262

6.1.2 Bảo vệ thiết bị ĐTCS khi quá điện áp 264

6.2 Hư hỏng do dòng điện 270

6.2.1 Nguyên nhân gây nên hư hỏng do dòng điện 270

6.2.2 Bảo vệ TBĐTCS do nguyên nhân dòng điện 271

6.3 Hư hỏng do nhiệt độ 276

6.3.1 Tổn hao Trên van bán dẫn 276

6.3.2 Bảo vệ quá nhiệt 277

6.4 Hư hỏng do nhiễu 281

6.4.1 Cơ sở của sinh nhiễu trên các thiết bị điện tử 281

6.4.2 Một số khái niệm cơ bản của nhiễu 283

6.4.3 Tiêu chuẩn nhiễu cần đáp ứng 286

6.4.4 Các sơ đồ mạch lọc nhiễu điển hình 289

6.5 Sơ đồ bảo vệ thực tế 290

Câu hỏi và bài tập 291

TÀI LIỆU THAM KHẢO 296

PHỤ LỤC: Trả lời các câu hỏi và bài tập 297

8

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT

Chữ viết tắt Nghĩa của từ

ĐAMC Điều áp một chiều

ĐAXC Điều áp xoay chiều

ĐTCS Điện tử công suất

TBĐT Thiết bị điện tử

TBĐTCS Thiết bị điện tử công suất

TIẾNG ANH

Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa sử dụng trong tài liệu

ASCR Asymmetrical Thyristor Thyristor không đối xứng BJT Bipolar junction transistor Transistor lưỡng cực

CCM Continuous Conduction Mode Chế độ dẫn liên tục

DCM Discontinuous conduction mode Chế độ dẫn gián đoạn

DMOS Double-diffused MOSFET MOSFET khuếch tán kép EMC Electromagnetic Compatibility Tương thích điện từ

EMI Electromagnetic interference Nhiễu điện từ

EMS Electromagnetic Susceptibility Nhạy cảm điện từ - Miễn nhiễm ESD Electrostatic discharge Xả tĩnh điện

ETO Emitter Turn Off Thyristor Thyristor khóa bằng emitter

FBSOA Forward Bias Safe Operating Area Vùng hoạt động an toàn thuận

9

GTO Gate turn-off thyristor Thyristor khóa bằng điều khiển HVDC High-voltage direct current Điện một chiều cao áp

IGBT Insulated gate bipolar transistor Transitor cực cửa cách ly

LASCR Light activated silicon controlled

rectifier

Thyyrristor kích hoạt ánh sáng

MCT Mos- controlled thyristor Thyristor điều khiển Mos

MOSFET Metal oxide semiconductor field

effect transistor),

Transitor hiệu ứng trường

MTO Mos Turn Off Thyristor Thyristor khóa bằng mos

NPT non-punch through type Dạng không xuyên thấu

PWM Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung

RBSOA Reverse Bias Safe Operating Area Vùng hoạt động an toàn chiều

ngược

SCR Silicon Controlled Rectifier Thyristor

SCS Silicon Controlled Switch Công tắc điều khiển bằng

silicon

SIT Static induction transistor Transistor cảm ứng tĩnh

SMPS Switched-mode power supply Nguồn cấp chuyển mạch

SOA Safe Operating Area Vùng hoạt động an toàn

SVM Support vector machine Điều chế vec tơ không gian UPS Uninterruptible power supply Nguồn cấp điện liên tục

10

Chương 1 LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Chương này được xây dựng giúp cho người đọc nắm được các kiến thức cơ bản

về các linh kiện điện tử công suất Trong chương này, sẽ khảo sát đặc tính của các linh kiện ĐTCS thông dụng, bao gồm điốt, transistor, thyristor và các linh kiện cùng họ Nói chung những linh kiện này đã được nghiên cứu trong giáo trình kỹ thuật điện tử, chương này chỉ bổ sung những nội dung liên quan đến đặc điểm cấu tạo đặc tính của các linh kiện bán dẫn công suất

Mục tiêu của chương:

 Cung cấp các kiến thức cơ bản về các linh kiện ĐTCS

 Giúp người đọc hiểu được nguyên lý cấu tạo các linh kiện ĐTCS

 Người đọc có được các kiến thức cần thiết về đặc tính I(U) của các linh kiện

 Giúp cho người đọc có được các kiến thức cơ bản để lựa chọn và sử dụng các linh kiện này ở các chương sau

Trong lĩnh vực ĐTCS, các linh kiện bán dẫn công suất làm việc với 2 chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó Các linh kiện bán dẫn công suất theo chức năng đóng ngắt dòng điện và theo khả năng điều khiển các chức năng này có thể chia ra làm 03 nhóm chính:

- Nhóm 1: Gồm các linh kiện không điều khiển như điốt công suất, diac;

- Nhóm 2: Gồm các linh kiện thuộc họ thyristor: Thyristor (SCR), triac,

thyristor điều khiển bằng cực khóa (Gate turn-off thyristor - GTO), Mos- controlled thyristor (MCT), integrated gated-commutated thyristor (IGCTs), MTO (Mos Turn Off Thyristor, ETO (Emitter Turn Off Thyristor);

- Nhóm 3: Gồm các linh kiện thuộc họ transistor như: Transistor lưỡng cực

(BJT), transitor hiệu ứng trường (MOSFET - Metal oxide semiconductor field effect transistor), transitor lưỡng cực cửa cách ly (IGBT - Insulated gate bipolar transistor),

transitor cảm ứng tĩnh (SIT - Static induction transistor)

Trong khuôn khổ chương 1 của giáo trình này chỉ tiến hành tìm hiểu những linh kiện thông dụng nhất là: điốt công suất, thyristor, triac, BJT, mosfet và IGBT Những linh kiện còn lại có thể tìm hiểu trong các tài liệu ví dụ [2, 3, 6, 7, 8, ….]

1.1 Điốt công suất

1.1.1 Cơ bản về điốt

Một điốt tiếp giáp P-N được hình thành bằng cách đặt vật liệu bán dẫn loại P và

N tiếp xúc nguyên tử với nhau Điều này có thể đạt được bằng cách khuếch tán tạp chất vào tinh thể silicon loại N hoặc ngược lại Nối điện ra ngoài, cực dương (anốt) A nối tới P và cực âm (catốt K) nối tới N

Khi một điện áp bên ngoài được đặt vào với âm vào P và dương phía N (hình 1.1b), cách nối như thế này là phân cực điện áp ngược (gọi tắt là phân cực ngược) (UAK < 0) Phân cực điện áp ngược này làm tăng thêm điện thế hai bên tiếp giáp Cường độ điện trường tại tiếp giáp và chiều rộng của vùng thay đổi không gian (còn

gọi là vùng nghèo hay vùng cạn kiệt vì không có điện tích tự do) cũng tăng

Khi điện áp ngược được đặt vào vượt quá giá trị ngưỡng, dòng điện ngược tăng nhanh Các điốt được cho là đã rơi vào quá trình phá hủy ngược

Hình 1.1 Cấu tạo và hoạt động của điốt; a Nguyên lý cấu tạo, b Khi phân cực

ngược, c Khi phân cực thuận, d Đặc tính I-U

do rất nhanh, dẫn đến dòng điện ngược lớn Công suất tiêu tán trong thiết bị làm tăng

hư hỏng và có thể gây ra sự phá hủy của nó Do đó, phải tránh hoạt động của điốt trong khu vực điện áp ngược lớn này

Khi điốt được phân cực thuận (nghĩa là, UAK > 0), hàng rào điện thế được giảm xuống và một số lượng rất lớn các điện tích thiểu số được bơm vào cả hai phía của tiếp giáp Các hạt dẫn thiểu số được bơm vào, kết hợp lại với hạt dẫn đa số khi chúng di chuyển xa hơn vào khu vực trung tính Mật độ hạt dẫn tự do dư ở cả hai phía P và N tuân theo các đặc tính giảm dần theo cấp số nhân Độ dài giảm dần đặc trưng được gọi

là "chiều dài khuếch tán hạt dẫn thiểu số"

Độ dốc mật độ hạt dẫn ở hai bên tiếp giáp được hỗ trợ bởi dòng điện thuận IF

(chảy từ P sang N) có thể được biểu thị bằng

Trong đó

 Is - Dòng bão hòa ngược (Amps)

 u - Điện áp thuận trên thiết bị (vôn)

 q - Điện tích nạp

 k - Hằng số Boltzman

 T - Nhiệt độ ở Kelvin

Đặc tính I(U) của điốt được vẽ trên hình 1.1d

1.1.2 Cấu tạo điốt công suất

Điốt công suất (hình 1.2) có công suất định mức lớn, giá trị dòng điện thuận lớn nhất lên đến hàng kA với tổn hao công suất nhỏ và chịu được điện áp hàng kV theo hướng ngược lại

Để chịu được điện áp lớn, điốt công suất bổ sung thêm một lớn N- pha tạp ít như trên hình 1.2a Ở điốt công suất thấp không có lớp N- này Lượng pha tạp của các lớp bán dẫn P, N-, N+ được cho ví dụ như trên hình 1.2a Mật độ điện tích không gian trong lớp pha tạp ít cũng phải thấp để tạo ra một tầng suy giảm rộng cho cường độ điện trường tối đa nhất định Cấu trúc như vậy, sẽ dẫn đến có điện trở lớn hơn khi điốt dẫn Do đó, tổn hao công suất ở dòng định mức sẽ cao hơn loại điốt thường Mặt khác, nếu điện trở thuận (và do đó tổn hao công suất) được giảm bằng cách tăng mức pha tạp, điện áp đánh thủng ngược sẽ giảm Hình 1.2b là ảnh của một điốt công suất điển hình

a Đặc tính khi phân cực ngược

Như trong trường hợp của một điốt công suất thấp, điện áp ngược đặt vào được

hỗ trợ bởi lớp pha tạp ít, được hình thành tại tiếp giáp P+ ,N- Trạng thái trung tính của khu vực thay đổi không gian cho rằng số lượng nguyên tử ion hóa trong khu vực P+phải giống như trong khu vực N Tuy nhiên, vùng tích điện không gian gần như chỉ

mở rộng sang vùng N-. Bây giờ chiều rộng của vùng nghèo có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn chiều rộng lớp pha tạp ít ở điện áp đánh thủng Do đó, hai loại điốt tồn tại:

 Dạng không xuyên thủng (non-punch through type – NPT),

 Loại xuyên thủng (punch through type – PT)

Trong loại NPT, ranh giới lớp pha tạp ít không chạm tới điểm cuối của lớp nghèo Mặt khác, loại PT, lớp pha tạp ít kéo dài toàn bộ vùng nghèo và tiếp xúc với cực âm N+ Tuy nhiên, do mật độ pha tạp rất lớn của cực catốt, sự xâm nhập của vùng nghèo bên trong cực âm là không đáng kể Cường độ điện trường bên trong vùng nghèo của cả hai loại điốt này ở điện áp đánh thủng được thể hiện trong hình 1.3c, d

Trong các loại điốt NPT, cường độ điện trường là cực đại tại tiếp giáp P+ - N

-và giảm xuống 0 ở cuối vùng pha tạp ít (hình 1.3c) Trong khi, cấu trúc loại điốt PT, cường độ trường đồng đều hơn Trên thực tế, bằng cách chọn vùng N-

pha tạp rất ít, cường độ điện trường trong vùng này có thể là chế độ gần như không đổi (hình 1.3d) Theo giả thiết về cường độ điện trường đồng nhất, có thể chỉ ra rằng với cùng một điện

áp đánh thủng, thì cấu trúc PT đòi hỏi khoảng một nửa chiều rộng vùng nghèo của cấu trúc NPT

Khi đặt ngược điện áp vào điốt, chỉ có một dòng rò nhỏ (khoảng dưới 100mA) chảy theo hướng ngược lại Dòng điện ngược này gần như không đổi trong vùng UAK

a

b

14

nhỏ hơn UN nhưng rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ tiếp giáp Khi điện áp ngược đặt vào đạt đến điện áp đánh thủng (UN), dòng điện ngược tăng rất nhanh do quá trình ion hóa tác động và quá trình nhân lên của tuyết lở Điện áp trên hai cực A-K của điốt không tăng thêm nữa trong khi dòng ngược bị giới hạn bởi mạch ngoài Do đó, nên tránh làm việc trong khu vực phá hủy ngược Một đặc tính I-U điển hình của một điốt công suất trong điều kiện phân cực ngược được thể hiện trong hình 1.4

Một số thông số kỹ thuật quan trọng khác của điốt công suất khi đặt điện áp ngược, thường được tìm thấy trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất là:

Điện áp chịu đựng DC (U RDC ) là điện áp trực tiếp tối đa có thể đặt vào UAK < 0 trong khoảng thời gian không xác

định Nó dùng để chọn các điốt xả

năng lượng trong mạch DC-DC và

mạch biến tần nguồn điện áp

DC-AC

Điện áp ngược RMS (U RMS ) là

giá trị RMS của điện áp tần số nguồn

lưới công nghiệp (50/60 HZ) có thể

đặt trực tiếp vào điốt Đại lượng này

dùng cho việc chọn điốt làm việc ở

điện lưới công nghiệp, ví dụ bộ chỉnh lưu AC-DC

Hình 1.4 Đặc tính I-U của điốt công suất

15

Điện áp ngược cực đại lặp lại (U RRM ) là giá trị tối đa cho phép của điện áp

ngược tức thời xuất hiện có chu kỳ trên điốt Khoảng thời gian giữa hai lần xuất hiện liên tiếp được giả thiết là bằng một nửa chu kỳ điện áp lưới (tức là 10ms đối với nguồn cung cấp 50 HZ)

Điện áp ngược cực đại không lặp lại (U RSM ) là giá trị tối đa cho phép của điện

áp ngược tức thời trên thiết bị không được xuất hiện Điện áp ngược thoáng qua như vậy có thể được tạo ra bởi chuyển mạch trong mạch điện hoặc xung sét

Các giá trị điện áp ngược cho trong datasheet của nhà sản xuất vừa nêu được minh họa trên hình 1.5

b Đặc tính khi phân cực thuận (điện áp U AK > 0)

Trong phần trước đã cho thấy sự ra đời của vùng pha tạp ít (N

-) trong cấu trúc P-N của một điốt làm tăng điện áp chịu đựng của nó Có vẻ như vùng pha tạp ít này có trở kháng cao trong quá trình dẫn dòng điện thuận Tuy nhiên, điện trở hiệu dụng của vùng này ở trạng thái dẫn nhỏ hơn nhiều so với điện trở ohmic được tính toán trên cơ

sở kích thước hình học và mật độ hạt dẫn điện cân bằng nhiệt Điều này là do bơm đáng kể các hạt dẫn dư từ cả vùng P+ và N+ trong vùng pha tạp ít như được giải thích tiếp theo

Khi tiếp giáp P+ - N- phân cực thuận, sẽ có hạt dẫn loại P dư vào phía N Ở mức

độ hạt dẫn bơm vào ít, tất cả các hạt dẫn dư loại P kết hợp lại với các hạt dẫn loại N trong vùng N- Tuy nhiên, ở mức độ bơm nhiều (nghĩa là mật độ dòng điện thuận lớn), phân bố mật độ hạt dẫn loại P dư đạt đến tiếp giáp N- N+ và thu hút electron từ N+ cực

16

 Uj là tổn hao điện áp trên tiếp giáp P+ N- và có thể được tính từ phương trình (1.1) cho một dòng điện IF cho trước

 URD là tổn hao điện áp do ohmic, chủ yếu ở vùng nghèo

Tính toán chi tiết cho thấy:

thuật quan trọng, liên quan

đến hoạt động phân cực thuận

của điốt công suất, thường

cho trong bảng dữ liệu của

nhà sản xuất như sau:

Dòng điện RMS tối đa

(I FRMS ): Do bản chất chủ yếu

là điện trở giảm khi điện áp

thuận trên điốt công suất, giá

trị RMS của dòng điện xác

định tổn thất công suất dẫn

Thông số kỹ thuật cho giá trị

dòng điện RMS tối đa cho

phép của hình dạng sóng nhất

định (thường là sóng hình sin tần số nửa chu kỳ) và ở nhiệt độ vỏ được chỉ định

Dòng điện trung bình tối đa (I FAVM ): Điốt thường được sử dụng trong các mạch

chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều (trung bình) ra tải Thông số kỹ thuật này là giá trị trung bình lớn nhất của dòng điện nửa sóng sin chạy qua điốt theo chiều thuận Giá trị dòng điện trung bình của một điốt giảm khi giảm góc dẫn tăng

Cả hai giá trị IFRMS và IFAVM đều được cho ở nhiệt độ vỏ cụ thể Nếu nhiệt độ vỏ tăng vượt quá giới hạn này, các giá trị này phải được giảm tương ứng như trên hình 1.7

 - khoảng dẫn của điốt

Hình 1.7 Đường cong giảm tải dòng điện trung bình và nhiệt độ

17

Tổn hao công suất trung bình (P AVF ): Hầu như tất cả tổn hao công suất trong

điốt xảy ra trong trạng thái dẫn thuận Do đó, tổn hao công suất là một thông số quan trọng trong việc thiết kế làm mát

Dòng điện xung ngắn hạn và lỗi: Trong một số ứng dụng chỉnh lưu, một điốt có

thể được yêu cầu dẫn dòng điện vượt quá RMS hoặc giá trị dòng điện thuận trung bình trong một khoảng thời gian ngắn Đây được gọi là dòng xung lặp đi lặp lại của một điốt Một điốt cần phải hoạt động bình thường sau khi hết thời gian quá dòng này

Mặt khác, dòng sự cố phát sinh do một số bất thường trong mạch điện có thể có dòng điện đỉnh cao hơn nhưng tồn tại trong

thời gian ngắn hơn (thường là nhỏ hơn một

nửa chu kỳ của tần số nguồn) Một mạch điốt

sẽ bị loại khỏi mạch điện sau một dòng xung

gây lỗi Do đó, một dòng sự cố là một dòng

xung không lặp lại

Giá trị dòng xung lặp lại (I FRM ): Đây

là đỉnh của dòng xung có thể được phép chạy

qua điốt trong một thời gian cụ thể và trong

các điều kiện cụ thể trước và sau khi xung

dòng Dạng sóng dòng xung được giả sử là

một nửa hình sin của tần số nguồn cấp với

các xung dòng điện được tách bằng các chu

kỳ chuyển mạch khóa với thời gian bằng

nhau Thông số kỹ thuật dòng xung thường

được đưa ra như là một hàm của thời gian

xung theo số chu kỳ của tần số nguồn như

trong hình 1.8

Dòng xung cực đại không lặp lại

(I FRM ): Thông số kỹ thuật này tương tự như

trên, ngoại trừ thời lượng xung dòng điện,

giả thiết trong một nửa chu kỳ của tần số

nguồn Thông số kỹ thuật này được đưa ra

như là một hàm của thời lượng xung hiện tại

như trong hình 1.9

Tích phân dòng xung cực đại (∫i 2 dt): Đây là thông số kỹ thuật liên quan đến

dòng xung và đưa ra mức độ năng lượng nhiệt được tạo ra bên trong thiết bị trong thời gian xung không lặp lại Nó rất hữu ích cho việc chọn cầu chì bảo vệ mắc nối tiếp với điốt Thông số kỹ thuật này cũng được đưa ra như là một hàm của độ rộng xung dòng điện như trong hình 1.9

IFRM/IFAVM

n

n – Số chu

kỳ tần số lưới

Hình 1.8 Quan hệ giữa dòng I FRM

theo số chu kỳ

Hình 1.9 Xung dòng điện không lặp

lại theo độ rộng xung

18

2 Đặc tính động

Điốt công suất cần thời gian nhất định để thực hiện chuyển mạch từ khi đặt điện

áp thuận (UAK > 0) vào điốt để điốt dẫn, đến khi đặt điện áp ngược (UAK < 0) điốt khóa

Phản ứng của dòng điện và điện áp điốt trong các giai đoạn chuyển mạch này rất quan trọng vì những lý do sau đây

• Quá điện áp hay quá dòng điện có thể do chuyển mạch điốt tại các vị trí khác nhau trong mạch sử dụng điốt

• Điện áp và dòng điện tồn tại đồng thời trong quá trình hoạt động chuyển mạch của một điốt Do đó, mọi chuyển mạch của điốt sẽ sinh số tổn hao công suất Ở tần số chuyển mạch cao, tổn hao này có thể chiếm một tỷ lệ đáng kể vào tổn hao công suất chung trong điốt

Lưu ý: Khi nghiên cứu về chuyển mạch, trong tài liệu này, tùy theo ngữ cảnh có sử dụng một

số từ đồng nghĩa: chuyển mạch mở, chuyển mạch bật, chuyển mạch đóng là đồng nghĩa; chuyển mạch khóa, chuyển mạch tắt là đồng nghĩa

Phản ứng của điốt công suất khi chuyển mạch mở: Điốt thường được sử

dụng trong các mạch có cuộn cảm với giới hạn

di/dt Tốc độ tăng của dòng điện thuận chạy

qua điốt trong khi chuyển mạch mở có ảnh

hưởng đáng kể đến các đặc tính giảm điện áp

chuyển tiếp

Như trên hình 1.10, điện áp thuận điốt

trong khi mở có thể đạt giá trị UFr cao hơn

đáng kể so với điện áp ổn định ở dòng điện ổn

định IF

Trong một số mạch chuyển đổi nguồn

(ví dụ: biến tần nguồn điện áp), trong đó một

điốt xả năng lượng, điện áp quá độ này có thể

đủ cao để phá hủy công tắc nguồn chính

UFr (được gọi là điện áp phục hồi thuận)

được đưa ra như là một hàm của di/dt thuận

trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất Các giá trị

tiêu biểu nằm trong phạm vi (10-30) V Thời gian phục hồi chuyển tiếp (tfr) thường trong vòng 10 s

Chuyển mạch khóa của điốt công suất: Hình 1.11 minh họa phản ứng chuyển

mạch khóa điển hình của một điốt công suất, giả thiết tốc độ giảm được kiểm soát của dòng điện phía thuận

Các đặc điểm nổi bật của đặc tính này là:

Hình 1.10 Dạng sóng dòng điện và điện áp của điốt công suất khi chuyển mạch mở

Trong khoảng thời gian t5 dòng điện và điện áp lớn tồn tại đồng thời trong thiết

bị Ở tần số chuyển mạch cao, điều này có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể tổn hao công suất

Các tham số quan trọng xác định các đặc điểm chuyển mạch khóa là: dòng phục hồi ngược cực đại (Irr), thời gian phục hồi ngược (trr),

điện tích phục hồi ngược (Qrr) và hệ số linh hoạt

(snappiness S) Trong các tham số này, hệ số S phụ

thuộc chủ yếu vào cấu trúc điốt (ví dụ độ rộng vùng

nghèo, mức pha tạp, tuổi thọ hạt dẫn, v.v.) Các tham

số khác có liên quan với nhau và cũng phụ thuộc vào

S Các nhà sản xuất thường cho các tham số này là

các hàm của diF/dt tương ứng các giá trị IF khác

nhau Cả Irr và Qrr đều tăng theo IF và diF/dt trong khi

trr tăng theo IF và giảm theo diF/dt

Các đặc tính phục hồi ngược được hiển thị

trong hình 1.11 là điển hình của một loại điốt phục

hồi bình thường hay phục hồi nhanh (S > 1) Tổng

thời gian phục hồi (trr) trong trường hợp này là vài

chục micro giây

1.1.4 Một số điốt đặc biệt

1 Điốt phục hồi nhanh

Vấn đề chính với điốt thông thường là chúng có thời gian phục hồi chậm Do

đó, chỉnh lưu tần số cao là không thể với một điốt thông thường

Điốt phục hồi nhanh là một thiết bị bán dẫn có thời gian phục hồi ngắn cho mục đích chỉnh lưu ở tần số cao Thời gian phục hồi nhanh là rất quan trọng để chỉnh lưu

AC tần số cao

Cấu trúc điốt phục hồi nhanh

Các điốt phục hồi nhanh được chế tạo theo cách tương tự như điốt thông thường Sự khác biệt chính trong cấu trúc các điốt nhanh là sự hiện diện của các trung

tâm tái hợp Trong điốt phục hồi nhanh, Vàng (Au) được thêm vào vật liệu bán dẫn

Hình 1.11 Đặc tính phục hồi của

điốt công suất

𝑆 =𝑡5

𝑡4

trr / IR lớn

Một điốt lý tưởng, về mặt lý thuyết sẽ ngừng dẫn dòng điện ngay khi Catốt trở nên dương so với Anốt Điốt thực tế, đặc biệt là bộ chỉnh lưu công suất, tiếp giáp silicon PN, khác với điốt lý tưởng ở chỗ, trong một thời gian ngắn, chúng sẽ tiếp tục dẫn dòng điện lớn theo hướng ngược lại cho đến khi loại bỏ được các hạt mang điện trong tiếp giáp và vùng suy giảm thành lập

Sau khi dòng điện giảm và qua trục hoành (tức là đạt tới 0 ampe), nó tiếp tục tăng theo chiều ngược lại (hình 1.13) Dòng điện ngược chạy từ thời điểm bằng 0 đến điểm đạt giá trị lớn nhất của dòng điện ngược (Irm) xác định tham số trrr Điều này chủ yếu được gây ra bởi các sóng mang thiểu số được đưa vào còn sót lại trong khu vực tiếp giáp trong phần phân cực thuận của di/dt giảm Điện tích liên kết của các hạt tải điện này được gọi là Qr và được xác định bằng diện tích dưới đường cong tính đến thời điểm Irm

Từ điểm vượt quá đỉnh này, dòng điện có độ dốc ngược lại và quay trở lại về phía 0; khoảng thời gian này được gọi là trrf Các

hạt dẫn hỗ trợ trrf được cung cấp khi vùng cạn kiệt

được thiết lập lại và trong khoảng thời gian này,

đường giao nhau phát triển điện áp chặn ngược

của nó Tương tự như vậy, điện tích liên quan

được gọi là Qf Tổng khoảng thời gian cho việc

khôi phục ngược này, theo đó, là trr

Tham số trr được sử dụng để xác định hoặc

phân loại bộ chỉnh lưu là "nhanh" hoặc "cực

Hình 1.13 Đường cong minh họa khóa điốt

ID

UF

Điốt càng nhanh tổn hao cảng lớn

Điốt càng nhanh pik dòng càng nhỏ

Hình 1.12 Đặc tính của điốt phục hồi nhanh

21

nhanh" “Nhanh” thường có thời gian không quá 200ns và “cực nhanh” có trr dưới 150ns Đối với các mạch tần số cao hoặc chuyển mạch nhanh, nên sử dụng bộ chỉnh lưu có thời gian trr ngắn nhất để bộ chỉnh lưu có thể dành phần lớn thời gian của nó hoặc dẫn dòng thuận hoặc chặn dòng ngược, và không chỉ khôi phục lại từ trước hoặc cái sau

2 Điốt schottky

Một điểm tiếp giáp kim loại - bán dẫn được hình thành giữa kim loại và chất

bán dẫn, tạo ra rào cản Schottky (thay vì tiếp giáp bán dẫn - bán dẫn như trong điốt thông thường) Các kim loại điển hình được sử dụng là molypden, bạch kim, crom hoặc vonfram, và một số silicit nhất định (ví dụ: silica palladi và silica bạch kim), trong khi chất bán dẫn thường là silic loại N Mặt kim loại đóng vai trò là cực dương,

và chất bán dẫn loại N đóng vai trò là cực âm của điốt; nghĩa là dòng điện thông thường có thể chạy từ mặt kim loại sang mặt bán dẫn, nhưng không theo chiều ngược lại Rào cản Schottky này làm cho chuyển mạch rất nhanh và giảm điện áp chuyển tiếp thấp

Sự lựa chọn kết hợp của

kim loại và chất bán dẫn xác

định điện áp chuyển tiếp của

điốt Cả chất bán dẫn loại N và

loại P đều có thể phát triển các

rào cản Schottky Tuy nhiên,

loại P thường có điện áp chuyển

tiếp thấp hơn nhiều Khi dòng

điện rò ngược tăng đột ngột khi

giảm điện áp thuận, nó không thể quá thấp, do đó, phạm vi thường được sử dụng là khoảng 0,5–0,7 V, và chất bán dẫn loại P ít khi được sử dụng

Các điốt Schottky chỉ hoạt động với các hạt dẫn đa số Không có hạt dẫn thiểu

số và do đó không có dòng rò ngược như trong các loại điốt khác Vùng kim loại bị chiếm dụng rất nhiều với các electron dẫn, và vùng bán dẫn loại N được pha tạp nhẹ Khi phân cực thuận, các electron năng lượng cao hơn ở vùng N được đưa vào vùng kim loại nơi chúng từ bỏ năng lượng dư thừa rất nhanh Vì không có hạt dẫn thiểu số, như trong điốt chỉnh lưu thông thường, có một phản ứng rất nhanh đối với sự thay đổi

về thay đổi chiều điện áp Schottky là một điốt chuyển mạch nhanh và hầu hết các ứng dụng của nó sử dụng tính chất này Nó có thể được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao và trong nhiều mạch kỹ thuật số để giảm thời gian chuyển mạch

Bảng 1.1 So sánh các loại điốtLoại Điện áp

(VRRM)

Phạm vi dòng

22

điện (IF) phục

hối (trr)

Pha tạp được thực hiện bằng bạch kim hoặc vàng

Điốt

Schottky <100V 1-300 A ~ns

Nguồn đóng cắt tần số rất cao

Tiếp giáp bán dẫn kim loại, thường là Al-Si (loại n), thiết

Từ quan điểm cấu trúc và hoạt động, thyristor là một thiết bị bán điều khiển bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2, ba cực Anốt (A), Catốt (K), điều khiển (G – gate) như trên hình 1.15a Nó có thể được mở bởi tín hiệu dòng điện điều khiển, nhưng không thể khóa mà không làm gián đoạn dòng chính Nó có thể chặn điện áp theo cả hai hướng, nhưng chỉ có thể dẫn dòng điện theo một hướng Trong quá trình dẫn, nó có điện áp chuyển tiếp (sụt áp) thuận rất thấp Các thyristor có thời gian chuyển mạch dài hơn (tính bằng hàng chục s) so với BJT Điều này, cùng với thực tế là không thể khóa thyristor bằng cực điều khiển Tuy nhiên, trong các ứng dụng xoay chiều công suất mà dòng điện tự nhiên đi qua 0, thyristor được sử dụng phổ biến do tổn hao dẫn thấp, khả năng chặn điện áp ngược và yêu cầu công suất điều khiển rất thấp Trên thực tế, với công suất rất cao (vượt quá 50 MW) bộ biến đổi AC - DC (bộ biến đổi điều khiển pha)

hoặc bộ biến đổi AC - AC (cyclo-convert), thyristor vẫn là linh kiện được lựa chọn

nhiều hơn

23

1.2.1 Nguyên lý cấu tạo thyristor công suất

Giống như điốt công suất, thyristor công suất có một số đặc điểm cấu tạo khác thyristor thường, khác nhau chính là nồng độ của các chất bán dẫn, như thể hiện trên hình 1.15a Theo cấu tạo trên hình 1.15a tinh thể N1 là loại N- pha tạp ít hơn (1014/cm3)

ở giữa hai lớp loại P1, P2 có mức độ pha tạp cao hơn Do đó, độ dày của lớp này quyết định điện áp chịu đựng của thyristor Tuy nhiên, do điều chế độ dẫn bởi các điện tích

từ các vùng P pha tạp nhiều ở cả hai phía khi dẫn, tổn hao điện áp ở trang thái dẫn ít hơn Các lớp N2 ký hiệu N+ được hình thành với mức độ pha tạp cao hơn cả lớp P Lớp

P1 nối tới cực Anốt và lớp N+ đóng vai trò là Catốt Cực Cực điều khiển được nối tới lớp P2 ở giữa

Để có hiệu suất chuyển mạch tốt hơn, cần phải tối đa hóa vùng tiếp xúc ra ngoài cực điều khiển và vùng cực K Do đó, vùng cực K được phân bố đều giữa các tiếp xúc cực điều khiển của lớp loại P Một cấu trúc cách đều cho khu vực G và K như trên

hình 1.15b là một cấu trúc được lựa chọn nhiều hơn

1.2.2 Hoạt động của thyristor

Nguyên lý hoạt động cơ bản của thyristor được hiểu rõ nhất bằng cách coi tương đương như hai Transistor trên hình 1.15d

Hoạt động của thyristor được giải thích như sau:

1 Trường hợp U AK > 0, cực G để hở hay U GK = 0V:

Hoạt động của thyristor P-N-P-N này với điện áp guồn đặt vào UAK > 0 và cực điều khiển để hở Trong trường hợp này này, J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 phân cực ngược

Trong điều kiện này

24

Trong đó:

 1, 2 là khuếch đại dòng điện của Q1 và Q2 tương ứng

 Ico1 và Ico2 là dòng bão hòa ngược của các tiếp giáp CB của Q1 và Q2

 ICO = ICO1 + ICO2 là tổng dòng rò ngược của J2

2 Trường hợp U AK > 0, I GK  0V:

Trường hợp này, miễn là UAK nhỏ và Ico rất thấp và cả 1, 2 đều nhỏ hơn 1 nhiều Do đó, dòng điện IA chỉ lớn hơn Ico một chút Tuy nhiên, khi U AK được tăng lên đến mức điện áp phá vỡ "tuyết lở" của J2, ICO bắt đầu tăng nhanh do quá trình nhân lên của "tuyết lở" Khi ICO tăng, 1, 2 đều tăng và 1 + 2 gần 1 Trong điều kiện này, dòng anốt lớn bắt đầu chảy, chỉ bị giới hạn bởi trở kháng tải bên ngoài Tuy nhiên, điện áp rơi trên điện trở tải bên ngoài làm cho điện áp trên thyristor tụt xuống đáng kể Các tiếp giáp CB của cả T1 và T2 trở thành thiên áp thuận và tổng điện áp rơi trên linh kiện giảm xuống tương đương với sụt áp trên điốt Các thyristor được cho là ở trạng thái dẫn

Ngay sau khi dẫn, nếu IA lớn hơn dòng điện IL (dòng chốt), 1 và 2 vẫn đủ cao

để giữ thyristor ở trạng thái ON Cách duy nhất thyristor có thể được khóa là bằng cách đưa IA xuống dưới một dòng giữ (IH) khi đó 1 và 2 bắt đầu giảm Thyristor có thể lấy lại khả năng chặn điện áp khi điện tích được lưu trữ quá mức tại J2 được loại bỏ bằng cách đặt điện áp ngược trên A và K (nghĩa là UAK < 0)

Có thể mở thyristor bằng cách sử dụng dòng điện cực điều khiển dương (chảy

từ cực G đến cực K) mà không làm tăng điện áp chuyển tiếp trên thyristor lên đến mức phá hủy Với phương trình cực điều khiển (1.8) có thể được viết là

2 Trường hợp U AK < 0

25

Khi một điện áp ngược được đặt trên thyristor (tức là UAK < 0) Các tiếp giáp J1

và J3 bị phân cực ngược còn J2 phân cực thuận Trong trường hợp này, tiếp giáp J3 có điện áp đánh thủng ngược rất thấp do cả hai vùng N+

và P ở hai bên tiếp giáp này đều

bị pha tạp nhiều Do đó, điện áp ngược đặt vào gần như hoàn toàn được hỗ trợ bởi tiếp giáp J1 Giá trị tối đa của điện áp ngược bị hạn chế bởi:

 Cường độ trường tối đa tại tiếp giáp J1 (phá vỡ "tuyết lở"),

 Chọc thủng qua lớp N- pha tạp nhẹ

Vì các lớp P ở hai bên của vùng N- có mức pha tạp gần như bằng nhau, điện áp phá vỡ "tuyết lở" của J1 và J2 gần như giống nhau Do đó, điện áp đánh thủng thuận và ngược của thyristor gần như bằng nhau Nâng điện áp J1 lên điện áp đánh thủng của J1, dòng ngược của thyristor thực tế không đổi và tăng mạnh sau điện áp này Do đó, các đặc tính ngược của thyristor tương tự như của một điốt

Nếu một dòng điện cực điều khiển dương được đặt vào trong điều kiện thiên áp ngược, tiếp giáp J3 sẽ thiên áp thuận Trên thực tế, các transistor lưỡng cực T1 và T2bây giờ hoạt động theo hướng ngược lại với vai trò của các emitter và collector tương ứng của chúng thay thế cho nhau Tuy nhiên, khi thiên áp ngược 1 và 2 nhỏ hơn đáng kể, nên thyristor không có dòng điện ngược Tuy nhiên, dòng rò ngược của thyristor làm tăng đáng kể tổn hao khi khóa của thyristor

Nếu điện áp thuận đột ngột được đặt vào, thyristor phân cực ngược, sẽ có sự phân phối lại đáng kể các điện tích trên cả ba tiếp giáp Kết quả là dòng điện có thể trở nên đủ lớn để đáp ứng điều kiện 1 + 2 = 1 và do đó mở thyristor Điều này được gọi

là mở dv/dt của thyristor và nên tránh

Tóm lại, điều kiện để mở thyristor cho dòng điện chạy qua là:

 Có điện áp U AK > 0,

 Có xung điều khiển I GK ,

 Có tải và dòng điện tải phải lớn hơn dòng tự giữ (I H )

1.2.3 Đặc tính và thông số của thyristor

1 Đặc tính vôn- ampe

Một thyristor thông thường, khi đã được dẫn nó vẫn được duy trì ở trạng thái

mở, cung cấp dòng anốt đã lớn hơn dòng chốt (IL) Miễn là anốt dương hơn catốt không thể khóa nó trừ khi

dòng điện giảm xuống dưới

dòng giữ (IH) Trong điều kiện

26

một khoảng thời gian giữ thyristor ở trạng thái khóa, trước khi ra lệnh cho dòng chạy lại Độ trễ tối thiểu này được gọi là thời gian khóa (tk) Nếu đưa điện áp UAK > 0 trong khoảng thời gian này thyristor tự kích hoạt bởi các hạt mang điện còn lại (lỗ và electron) chưa được tái hợp lại

Đối với các ứng dụng có tần số cao hơn nguồn cung cấp điện xoay chiều (ví dụ:

50 Hz hoặc 60 Hz), các thyristor cần có giá trị tk thấp hơn Các thyristor nhanh như vậy có thể được tạo ra bằng cách khuếch tán các ion kim loại nặng như vàng hoặc bạch kim, đóng vai trò là trung tâm kết hợp điện tích vào silicon Ngày nay, thyristor nhanh thường được tạo ra bằng cách chiếu xạ electron hoặc proton của silicon, hoặc bằng phương pháp cấy ion Chiếu xạ linh hoạt hơn so với pha tạp kim loại nặng vì nó cho phép điều chỉnh liều lượng theo các bước tốt hơn

Đặc tính vôn - ampe của thyristor được vẽ trên hình 1.16 Đường đặc tính này

2 Thông số của thyristor

Thông số điện áp:

Điện áp trạng thái khóa thuận cực đại (U DWM ): Nó đặc trưng cho điện áp trạng

thái khóa thuận cực đại (tức là cực A dương và K âm) mà thyristor có thể chịu được trong quá trình làm việc Nó dùng để tính toán điện áp RMS tối đa của mạch AC trong

đó thyristor có thể được sử dụng Một biên độ tăng 10% điện áp mạng AC nên được xem xét trong quá trình tính toán

Điện áp trạng thái thuận cực đại lặp đi lặp lại (U DRM ): là điện áp chuyển tiếp

cực đại mà thyristor có thể chặn điện áp ở trạng thái khóa Phạm vi này được chỉ định

ở nhiệt độ tiếp giáp tối đa cho phép khi hở mạch cực điều khiển hoặc với điện trở phân cực quy định giữa cực G và cực K Loại điện áp tức thời lặp đi lặp lại này, có thể xuất hiện trên một thyristor, do sự chuyển mạch giới hạn của các thyristor hoặc điốt khác trong mạch bộ biến đổi

Điện áp trạng thái thuận cực đại không lặp lại (U DSM ): là giá trị đỉnh cho phép

của điện áp thuận không lặp lại Loại quá điện áp này có thể do hoạt động chuyển mạch (nghĩa là mở hoặc đóng ngắt mạch hoặc xung sét) trong mạch nguồn cấp Giá trị

Điện áp ngược cực đại lặp lại (U RRM ): là điện áp ngược cực đại có thể xảy ra

lặp đi lặp lại trong điều kiện thiên áp

ngược của thyristor ở nhiệt độ tiếp giáp

tối đa

Điện áp ngược cực đại không lặp

lại (URSM): Nó biểu thị giá trị cực đại của

điện áp chuyển tiếp ngược không lặp lại

Giá trị của nó là khoảng 130% URRM Tuy

nhiên, URSM nhỏ hơn điện áp phá vỡ

ngược UBRR

Hình 1.17 minh họa so sánh phạm vi điện áp thyristor khác nhau

Thông số dòng điện

Dòng RMS tối đa (IRMS): Việc làm nóng các phần tử điện trở của thyristor như

tiếp xúc kim loại, dây dẫn và giao diện phụ thuộc vào dòng điện hiệu dụng, Irms Dòng điện RMS định mức được sử dụng làm giới hạn trên cho dòng điện DC cũng như các dạng sóng xung Giới hạn này không nên vượt quá giá trị liên tục

Dòng trung bình tối đa (Iav): Đây là giá trị trung bình tối đa cho phép của dòng

điện thuận sao cho:

 Nhiệt độ cực đại tiếp giáp không vượt quá

 Giới hạn dòng điện RMS không vượt quá

Các nhà sản xuất thường cung cấp các đặc tính giảm dòng trung bình theo nhiệt

độ, như trên hình 1.18, cho thấy Iav là một hàm của nhiệt độ vỏ (TC) với góc dẫn dòng điện () như một tham số Dạng sóng dòng điện được giả thiết là được hình thành từ sóng hình sin nửa chu kỳ tần số

nguồn cấp như trong hình 1.18

Dòng điện xung cực đại (I SM ):

là dòng điện tối đa cho phép không

lặp lại mà thyristor có thể chịu được

Thyristor được coi là hoạt động thấp

hơn điện áp chặn định mức, dòng

điện và nhiệt độ tiếp giáp trước khi

thay đổi xung dòng điện xảy ra Sau

khi gặp xung dòng điện, thyristor

Ngoài ra, một dãy IsM so với số chu kỳ cũng có thể được cung cấp

Tích phân dòng điện bình phương tối đa (∫i 2 dt): Giá trị này theo A2S là thước

đo năng lượng mà thyristor có thể hấp thụ trong một thời gian ngắn (nhỏ hơn một nửa chu kỳ tần số nguồn) Gía trị này được sử dụng trong việc lựa chọn cầu chì bảo vệ mắc nối tiếp với thyristor

Dòng điện chốt (I L - Latching): Sau khi dẫn, xung cực điều khiển phải được duy

trì cho đến khi dòng anốt đạt đến mức này Nếu không, khi cắt xung cực điều khiển, thyristor sẽ khóa

Dòng điện giữ (I H ): Dòng anốt phải được giảm xuống dưới giá trị này để khóa

thyristor

Tổn hao điện áp thuận tối đa (U F ):

Thường là một hàm của dòng thuận tức

thời ở nhiệt độ tiếp giáp nhất định

Công suất tiêu tán trung bình

(P av ): là một hàm của dòng thuận trung

bình (Iav) cho các góc dẫn () khác nhau

như trong hình 1.19 Dạng sóng dòng

điện được giả sử là sóng hình sin nửa chu

kỳ (hoặc sóng vuông) theo tần số lưới

Trong sơ đồ trên

∫

∫

Thông số điều khiển

Dòng điện cực điều khiển để kích hoạt (I GT ): Giá trị tối thiểu của dòng cực điều

khiển, mà dưới giá trị này không thể đảm bảo mở thyristor đáng tin cậy

Điện áp cực điều khiển để kích hoạt (U GT ): Giá trị tối thiểu của điện áp cực điều

khiển, mà khi nhỏ hơn nó không thể đảm bảo mở thyristor đáng tin cậy Nó được chỉ định ở cùng mức ngắt điện áp như IGT

29

Điện áp cực điều khiển không kích hoạt (U GNT ): Giá trị tối đa của điện áp cực

điều khiển UGK mà thyristor có thể được đảm bảo duy trì khóa Tất cả điện áp nhiễu giả trong mạch điều khiển phải dưới mức này

Điện áp cực điều khiển ngược cực đại (U GRM ): Điện áp ngược cực đại có thể

xuất hiện giữa cực G và K mà không làm hỏng tiếp giáp

Công suất tiêu thụ cực điều khiển trung bình (P GAV ): Công suất trung bình tiêu

tán trong tiếp giáp G-K không được vượt quá giá trị này đối với các xung dòng cực điều khiển rộng hơn 100 s

Dòng cực điều khiển thuận cực đại (I GRM ): Dòng cực điều khiển cực điều khiển

không được vượt quá giới hạn này ngay cả trên giá trị tức thời

3 Đặc tính chuyển mạch của thyristor

Trong quá trình mở và khóa, thyristor phải chịu các điện áp khác nhau trên nó

và các dòng điện khác nhau qua nó Sự biến đổi thời gian của điện áp trên một thyristor và dòng điện qua nó trong khi mở và khóa tạo thành các đặc tính chuyển mạch của thyristor

a Chuyển mạch mở thyristor

Một thyristor phân cực thuận được mở bằng cách cấp xung dòng dương vào cổng G (ig) so với K như trong hình 1.20

Hình 1.20 cho thấy dạng sóng của dòng điện cực điều khiển (ig), dòng anốt (iA)

và điện áp anốt – catốt (UAK) ở trục thời gian mở rộng trong khi mở Tổng thời gian chuyển mạch nhỏ hơn nhiều so với thời gian chu kỳ, iA và UAK trước và sau chuyển mạch là đường thẳng

30

Như được hiển thị trên hình 1.20, có một thời gian chuyển mạch "tON", chuyển

từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn Thời gian chuyển tiếp mày được gọi là thời gian chuyển mạch mở của thyristor và có thể được chia thành 3 khoảng thời gian riêng biệt là: thời gian trễ (td – delay time), thời gian tăng (tr – rise time) và thời gian lan tỏa (tp –

spread time) Những khoảng thời gian này được thấy trên hình 1.20

Thời gian trễ (t d ): Sau khi cấp dòng điện cực điều khiển, thyristor sẽ bắt đầu

dẫn qua phần của cực K gần cực điều khiển nhất Vùng dẫn này bắt đầu lan truyền với tốc độ hữu hạn cho đến khi toàn bộ vùng cực K trở nên dẫn điện Thời gian được thực hiện bởi quá trình này tạo thành thời gian trễ của thyristor Nó được đo từ lúc đặt dòng điện vào cực điều khiển cho đến khi dòng anốt tăng lên 10% (hoặc UAK giảm xuống 90% giá trị ban đầu) Giá trị điển hình của td là một vài micro giây

Thời gian tăng (t r ): Đối với tải điện trở, thời gian tăng dòng điện là thời gian

của dòng điện IAK tăng từ 10% lên 90% Đồng thời điện áp UAK giảm từ 90% xuống còn 10% giá trị ban đầu Tuy nhiên, dòng điện tăng và giảm điện áp bị ảnh hưởng bởi loại tải Đối với tải điện cảm, điện áp rơi nhanh hơn dòng điện Trong khi đối với tải điện dung, UAK giảm nhanh chóng ngay từ đầu Tuy nhiên, khi dòng điện tăng, tốc độ thay đổi điện áp anốt giảm đáng kể

Nếu dòng IAK tăng quá nhanh, nó bị giới hạn trong một khu vực nhỏ Điều này

có thể làm phát sinh các điểm nóng cục bộ, và làm hỏng thyristor Do đó, cần hạn chế tốc độ tăng của diA/dt của dòng điện bằng cách sử dụng một cuộn cảm nối tiếp với thyristor Giá trị thông thường của diA/dt tối đa cho phép nằm trong khoảng 20-200 A/μs

Thời gian lan rộng (t p ): Đó là thời gian cần thiết để dòng anốt tăng từ 90% lên

100% Trong thời gian này dòng điện lan rộng ra toàn bộ mặt cắt ngang của cực K của thyristor Khoảng thời gian lan rộng phụ thuộc vào diện tích của cực K và cấu trúc cực điều khiển của thyristor

b Chuyển mạch khóa thyristor

Khi thyristor được mở, và dòng anốt ở trên mức dòng chốt (IL), cực điều khiển

sẽ không còn tác dụng nữa Nó chỉ có thể được khóa bằng cách giảm dòng anốt xuống dưới dòng giữ (IH) Thời gian khóa tq của thyristor được định nghĩa là thời gian tính từ khi dòng IA = 0 cho đến khi thyristor khóa chắc chắn Nếu điện áp thuận được đặt vào thyristor trong khoảng thời gian này, thyristor sẽ mở lại

Trong thời gian khóa, các hạt dẫn thiểu số dư từ tất cả bốn lớp của thyristor phải được loại bỏ Theo đó tq được chia thành hai khoảng thời gian: thời gian phục hồi ngược (trr) và thời gian phục hồi cực điều khiển (tqr) Hình 1.21 cho thấy sự thay đổi của dòng điện IA và điện áp UAK với thời gian khóa thể hiện trên thang đo mở rộng

31

Hình 1.21 Đặc tính chuyển mạch khóa thyristor

Dòng anốt bằng 0 tại thời điểm t1 và bắt đầu tăng theo chiều âm với cùng một

diA/dt cho đến thời điểm t2 Dòng điện âm này sẽ loại bỏ các sóng mang dư thừa khỏi các tiếp giáp J1 và J3 Tại thời điểm t2 mật độ hạt dẫn tại các tiếp giáp này không đủ để duy trì dòng ngược và dòng anốt bắt đầu giảm Giá trị của dòng anốt tại thời điểm t2được gọi là dòng phục hồi ngược (Irr - reverse recovery current) Dòng anốt ngược

giảm xuống mức độ bão hòa ngược tại t3 Tổng điện tích được loại bỏ khỏi các tiếp giáp giữa t1 và t3 được gọi là điện tích phục hồi ngược (Qrr - reverse recovery charge)

Dòng điện phân rã nhanh trong khoảng thời gian t2 - t3 kết hợp với cuộn cảm giới hạn di/dt có thể gây nên sự tăng vọt điện áp ngược lớn (Urr) trên thyristor Điện áp này phải được giới hạn dưới mức URRM của thyristor Tính đến thời điểm t2, điện áp trên thyristor (UAK) không thay đổi đáng kể so với giá trị trạng thái dẫn của nó Tuy nhiên, sau thời gian phục hồi ngược, thyristor lấy lại khả năng chặn điện áp ngược và UAK bắt đầu sau điện áp cung cấp uin Vào cuối giai đoạn phục hồi ngược (trr) các điện tích dư vẫn tồn tại ở tiếp giáp J2, điều này ngăn thyristor chặn điện áp ngay sau trr Những điện tích còn tồn dư chỉ được loại bỏ bởi quá trình tái hợp Thời gian để quá trình tái hợp này hoàn thành (giữa t3 và t4) được gọi là thời gian phục hồi cực điều khiển (tgr) Khoảng thời gian tq = trr + tgr được gọi là thời gian khóa của thyristor

Không được đặt điện áp thuận trên thyristor trước thời gian tq để tránh thyristor

vô tình mở Người thiết kế mạch phải thiết lập một khoảng thời gian tc (tc > tq)

Như trong trường hợp của một điốt, độ lớn tương đối của các khoảng thời gian

t1 - t2 và t2 - t3 phụ thuộc vào cấu trúc của thyristor Để phục hồi bình thường, chúng gần như bằng nhau đối với dòng điện thuận và dòng hồi phục ngược được chỉ định Tuy nhiên, trong một thyristor phục hồi nhanh, khoảng thời gian t2 - t3 không đáng kể

so với khoảng t1 - t2 Điều này giúp giảm tổng thời gian khóa tq của thyristor (và do đó cho phép chúng hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn) Tuy nhiên, sự tăng vọt điện

áp quá mức do sự phục hồi nhanh sẽ xuất hiện trên thyristor sau khi thyristor khóa

32

Thời gian khóa thông thường của thyristor trong bộ biến đổi trong khoảng 50-100 s

và biến tần là khoảng 5-50 s

4 Đặc tính điều khiển

Cực điều khiển của thyristor

hoạt động giống như một điốt chất

lượng kém với tổn hao điện áp

trạng thái dẫn cao và điện áp đánh

thủng ngược thấp Đặc tính này

thường không phải là duy nhất ngay

cả trong cùng một họ thyristor và

cho thấy sự thay đổi đáng kể từ

thyristor này sang thyristor khác

Do đó, bảng dữ liệu của nhà sản

xuất cung cấp giới hạn trên và dưới

của đặc tính này như trong hình

1.22

Mỗi thyristor có giới hạn điện áp cực điều khiển tối đa (UGmax), giới hạn dòng cực điều khiển (IGmax) và giới hạn tổn hao công suất cực điều khiển trung bình tối đa (PGav Max) Không nên cho thyristor làm việc vượt quá các giới hạn này để tránh hư hỏng cho các tiếp giáp của G và K Ngoài ra, còn có giới hạn tối thiểu của UG(UGmin)

và IG(IGmin) để mở thyristor tin cậy Một điện áp không kích hoạt cực điều khiển (Ung) cũng được cho bởi các nhà sản xuất của thyristor Tất cả các tín hiệu nhiễu giả phải nhỏ hơn điện áp Ung này để ngăn việc mở thyristor không mong muốn Vùng điều khiển tối ưu của thyristor là vùng b c d e f g h trên hình 1.22

Điện áp cực điều khiển được tính:

chảy qua, từ đó làm giảm thời gian

mở của thyristor Giá trị của PGm phụ

thuộc vào độ rộng xung (tON) của

xung dòng cực điều khiển tON nên

lớn hơn thời gian mở của thyristor

Hình 1.22 Đặc tính điều khiển của thyristor

Hình 1.23 Mạch bảo vệ cực điều khiển

Độ lớn của điện áp và dòng điện cực điều khiển cần thiết để kích hoạt thyristor

tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tiếp giáp

Tiếp giáp K với G cũng có thông số điện áp ngược cực đại (nghĩa là cực điều khiển âm đối với cực K) Nếu điện áp catốt với cực điều khiển ngược vượt quá giới hạn này, nên sử dụng bảo vệ điện áp ngược bằng cách sử dụng điốt như trong hình 1.23

1.3 Triac

Triac là một thành viên của "gia đình" thyristor Nhưng không giống như thyristor chỉ dẫn theo một hướng (từ A đến K), triac có thể dẫn dòng theo cả hai hướng Do đó, một triac tương tự như hai thyristosr được nối song song ngược, nhưng chỉ có ba cực Như trong trường hợp của thyristor, việc dẫn dòng điện của triac được bắt đầu bằng cách cấp một xung dòng điện vào cực G Tín hiệu điều khiển hết tác dụng một khi triac đã được dẫn Triac chỉ tắt khi dòng điện qua các cực chính trở về 0

Do đó, triac có thể được phân loại là hạt dẫn thiểu số, một thiết bị bán điều khiển hai chiều Chúng được sử dụng rộng rãi trong điều chỉnh độ sáng đèn dân dụng, điều khiển

lò sưởi và để điều khiển tốc độ động cơ một pha nhỏ và động cơ cảm ứng …

1.3.1 Cấu tạo triac

Cấu tạo triac có các lớp bán dẫn ghép nối tiếp như hình 1.24a và được nối ra ba chân, hai chân MT1, MT2 và chân G Về nguyên lí, cấu tạo triac có thể coi như hai thyristor ghép song song nhưng ngược chiều nhau (ghép song song ngược), như trên hình 1.24 b,c

Hình 1.24 Triac: a) cấu tạo và kí hiệu, b), c) cấu tạo tương

đương bằng hai thyristor

34

Vì Triac có thể dẫn điện theo cả hai hướng nên thuật ngữ “cực dương” và “cực âm” không được sử dụng cho Triac Ba cực được đánh dấu là MT1 (Cực chính 1), MT2(Cực chính 2) và G Như trong hình 1.24a cực G gần MT1 và được nối với cả hai vùng

N3 và P2 bằng tiếp xúc kim loại Tương tự, MT1 được nối với vùng N4 và P2 trong khi

MT2 được nối với vùng N1 và P1

1.3.2 Nguyên lý hoạt động

Theo nguyên lý cấu tạo, triac được xem như hai thyristor ghép song song ngược như hình 1.24 b, c, trong đó một thyristor điều khiển phía catốt và một thyristor điều khiển từ phía anốt

Vì Triac là một thiết bị hai chiều và có thể có các đầu cuối của nó ở các kết hợp điện áp âm và dương khác nhau, nên có bốn cách kết hợp điện áp có thể có như được đưa ra dưới đây

Hai trường hợp có cực MT 2 và G đồng dấu:

1 Khi MT2 và G cùng có điện áp dương so với MT1 thì dòng điện dẫn từ MT2sang MT1 bằng thyristor tương đương hình 1.24 b

Khi điều này xảy ra, dòng điện chạy qua đường dẫn P1-N2-P2-N4 Ở đây, P1-N2

và P2-N4 được phân cực thuận nhưng N2-P2 được phân cực ngược Triac được cho là hoạt động trong vùng phân cực dương Cực G dương so với MT1 phân cực thuận P2-N4dẫn điện (có dòng điện G-K nét mảnh hình 1.24b) thì có dòng MT2 sang MT1 (mầu đậm)

2 Khi MT2 và G cùng có điện áp âm so với MT1 thì dòng điện dẫn từ MT1 sang

MT2 bằng thyristor tương đương hình 1.24c

Dòng điện chạy qua con đường P2-N2-P1-N1 Hai tiếp giáp P2-N2 và P1-N1 được phân cực thuận nhưng tiếp giáp N2-P1 được phân cực ngược Khi có MT1 dương so với

MT2 và G âm, do hai miền bán dẫn N2, N3 gần nhau nên các điện tử từ nguồn điều khiển đưa tới làm cho hai miền bán dẫn này nối liền nhau nên hình thành một thyristor

có dòng điện MT1 – G (nét mảnh) có dòng MT1 – MT2 (nét đậm) như hình 1.24c

Hai trường hợp có MT 1 và G không cùng dấu

3 Khi MT2 dương nhưng G âm so với MT1

Dòng điện chạy qua đường dẫn P1-N2-P2-N4 Do P2-N4 được phân cực thuận và các hạt mang dòng điện được tiêm vào P2 trên triac, làm cho triac dẫn

4 Khi MT2 âm nhưng G dương so với MT1

P2-N4 được phân cực thuận ở điều kiện đó Các hạt mang dòng điện được tiêm vào để triac dẫn Chế độ hoạt động này có một nhược điểm là không nên sử dụng cho các mạch cao (di/dt) Độ nhạy của kích hoạt ở chế độ 2 và 3 cao và nếu cần khả năng kích hoạt biên, nên sử dụng xung cổng âm Kích hoạt ở chế độ 1 nhạy hơn chế độ 2 và chế độ 3

1.3.3 Đặc tính và thông số

35

Triac có đặc tính vôn – ampe gồm hai đặc tính phi tuyến của thyristor đối xứng nhau qua gốc toạ độ như hình 1.25 Điều này

một lần nữa minh chứng rằng triac có thể coi

tương đương như hai thyristor mắc song song

ngược

Thông số của triac giống như thông số

của thyristor trong bài 1.2

Trong mạch điện xoay chiều công

nghiệp có thể sử dụng sơ đồ điều khiển triac

như đơn giản hình 1.26 Trên sơ đồ này điện áp

G và MT2 cùng dấu nên triac dẫn cả hai chiều

Về mặt cấu tạo và nguyên lý hoạt động,

nếu điện áp đặt vào vượt quá đỉnh đặc tính phi tuyến hình 1.25, triac tự dẫn không cần dòng điện điều khiển Theo nguyên tắc đó người ta chế tạo ra một linh kiện cùng họ triac có tên là diac Kí hiệu như kí hiệu triac trên hình 1.24a nhưng không có cực điều khiển hay D1 trên hình 1.26b

Các đặc tính I-U của Triac trong góc phần tư thứ 1 và thứ 3 của mặt phẳng I-U

sẽ tương tự như các đặc tính thuận của thyristor Như trong hình 1.25, không có tín hiệu đến cổng, triac sẽ chặn cả nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều đặt vào với điều kiện giá trị đỉnh của nó thấp hơn điện áp đánh thủng (UBO) của thiết bị Tuy nhiên, việc

mở triac có thể được điều khiển bằng cách đưa xung kích hoạt G theo trường hợp mong muốn Kích hoạt Chế độ 1 được sử dụng trong góc phần tư thứ nhất trong khi kích hoạt Chế độ 2 được sử dụng trong góc phần tư thứ ba Như vậy, hầu hết các đặc tính của thyristor áp dụng cho triac (tức là dòng điện chốt và giữ)

Tuy nhiên, trong một triac, hai đường dẫn (từ MT1 đến MT2 hoặc từ MT2 đến

MT1) tương tác với nhau trong cấu trúc của triac Do đó, phạm vi điện áp, dòng điện

và tần số của triac thấp hơn đáng kể so với thyristor Hiện tại các triac với điện áp 1200V và dòng điện 500A (rms) đã được chế tạo Triac cũng có sụt điện áp lớn hơn

so với thyristor Các nhà sản xuất thường chỉ định các đường cong đặc tính liên quan đến dòng RMS và nhiệt độ vỏ tối đa cho phép như trong hình 1.27

36

1.3.4 Chuyển mạch Triac và mạch điều khiển cổng G

Không giống như thyristor, một triac bị giới hạn thời gian tắt do dẫn điện hai chiều Kết quả là các triac chỉ được hoạt động ở tần số nguồn Đặc tính chuyển mạch của triac tương tự như của thyristor Tuy nhiên, việc tắt triac rất nhạy cảm với sự thay

đổi nhiệt độ và có thể hoàn toàn không tắt nếu nhiệt độ tiếp giáp vượt quá giới hạn

nhất định Sự cố có thể phát sinh khi sử dụng triac để điều khiển tải hệ số công suất thấp Tại thời điểm dòng điện bằng 0 (khi triac tắt), một điện áp ngược sẽ xuất hiện trên triac vì điện áp cung cấp là âm tại thời điểm đó Tốc độ tăng của điện áp này chỉ

bị hạn chế bởi điện dung tiếp giáp triac Kết quả là du/dt có thể dẫn lại triac Sự cố tương tự xảy ra khi một triac được sử dụng để điều khiển nguồn điện cho linh kiện điện trở có điện trở rất thấp trước khi đạt được điều kiện làm việc bình thường Nếu tải như vậy (ví dụ: đèn dây tóc) triac được mở ở điện áp cung cấp đầy đủ, dòng điện nạp điện dung tiếp giáp rất lớn sẽ dẫn triac Để ngăn chặn tình trạng như vậy, thường sử dụng R-C snubber như trên hình 1.26b

Triac nên được điều khiển cẩn thận để đảm bảo hoạt động an toàn Đối với ứng dụng điều khiển pha, triac được mở và tắt đồng bộ với nguồn điện lưới để chỉ đưa một phần của nửa chu kỳ được đưa đến tải Để đảm bảo mở chắc chắn, tín hiệu kích hoạt phải tăng nhanh để cung cấp mức nạp tụ ký sinh cần thiết Thời gian tăng khoảng 1 μs

sẽ là mong muốn Một mạch kích hoạt cổng triac như vậy sử dụng "diac" và mạch định thời R-C được vẽ trong hình 1.26b

Về cơ bản mạch điều khiển triac giống như điều khiển thyristor

1.4 Transistor lưỡng cực (BJT)

Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transitor - BJT) là thiết bị bán dẫn cho

phép điều khiển hoàn toàn các hoạt động mở và tắt của nó BJT đã đơn giản hóa việc thiết kế một số lượng lớn các mạch điện tử sử dụng các thyristor chuyển mạch cưỡng bức và cũng giúp tạo ra một số mạch mới Sau BJT, nhiều thiết bị khác có thể được phân loại cùng họ Transitor đã được nghiên cứu phát triển, như transitor trường, Fet (Mosfet), transistor lưỡng cực cổng cách ly (IGBT) Nhiều trong số chúng có hiệu suất vượt trội so với BJT ở một số khía cạnh nào đó Hiện nay những loại cùng họ BJT đãthay thế gần như hoàn toàn các BJT Tuy nhiên, trong các mạch ĐTCS, BJT công suất vẫn là thiết bị bán dẫn hoạt động gần đúng như một công tắc nguồn được điều khiển hoàn toàn lý tưởng Các transistor khác cùng họ có đặc điểm là chất lượng tương tự như của BJT (mặc dù tính chất vật lý của hoạt động có thể khác nhau) Do đó, việc nghiên cứu các đặc tính và hoạt động của BJT công suát là cần thiết Các đặc điểm cấu tạo và hoạt động của BJT công suất khác biệt đáng kể so với transistor tín hiệu, do yêu cầu cần chịu điện áp cao ở trạng thái khóa và khả năng mang dòng cao trong trạng thái

37

dẫn Trong mục này, cấu trúc, nguyên lý hoạt động và đặc tính của BJT công suất sẽ được nghiên cứu

1.4.1 Cấu tạo và hoạt động của tranzito lưỡng cực (BJT)

1 Cấu tạo của BJT

Như đã biết trong giáo trình kỹ thuật điện tử, BJT là một linh kiện có ba lớp bán dẫn cho tiếp xúc công nghệ xen kẽ nhau, do đó hình thành một hệ gồm hai tiếp xúc P-

N phi tuyến tính (hình 1.28a,b) rất gần nhau, kết hợp với ba tiếp xúc tuyến tính (tiếp xúc Ommic) để đưa ra ngoài bằng 3 điện cực được gọi lần lượt là Emitter (cực phát) Base (cực gốc) và Collector (cực góp) viết tắt là cực E, B, C Có hai kết cấu đặc trưng

là dạng P-N-P (hình 1.28a) và dạng N-P-N (hình 1.28b) với các ký hiệu quy ước trên hình 1.28c, d tương ứng Như vậy, có thể mô tả một cách quy ước, transistor bao gồm hai điốt DEB và DCB mắc đối nhau với ba cực ra E, B, C (hình 1.28e,f)

2 Nguyên lý hoạt động của transistor

Để mô tả hoạt động của transistor, ta lấy transistor lại P-N-P làm ví dụ Sự hoạt động của transistor N-P-N sẽ tương tự, bằng việc thay thế lỗ trống bằng điện tử (sẽ trình bầy ở phần transistor công suất) Trên hình 1.29a khi tiếp giáp collector không được phân cực (UCB = 0), tiếp giáp emitter-base (B-E) được phân cực thuận Độ rộng vùng điện tích không gian giữa P và N (còn gọi là vùng nghèo) sẽ bị giảm, mức giảm tuỳ theo điện áp phân cực, kết quả là dòng của các hạt đa số (các lỗ trống) khuếch tán

từ miền bán dẫn P (cực E) sang miền bán dẫn N (cực B)

Khi tiếp giáp base-emitter không được phân cực, tiếp giáp collector-base phân cực ngược, không có dòng của các hạt đa số (điện tử ở bán dẫn N) chỉ có dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở bán dẫn N) (hình 1.29 b)

P N P

Base a)

N P N

Base b)

38

Trường hợp tiếp giáp E-B phân cực thuận (UBE < 0), tiếp giáp base-collector C) phân cực ngược (UBC < 0) (hình 1.29c), các hạt đa số khuếch tán qua tiếp giáp tới miền base taọ nên dòng IE Tại miền base các hạt đa số này lại chuyển thành các hạt thiểu số, một phần bị tái hợp với các điện tử tạo thành dòng IB, phần còn lại do độ rộng của miền base rất mỏng, tiếp giáp B-C phân cực ngược nên các lỗ trống ở miền base bị cuốn sang miền collector taọ lên dòng IC Dòng IC này được tạo bởi hai thành phần: dòng của các hạt đa số từ miền emitter, và dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở miền base khi chưa có sự khuếch tán từ emitter sang) Dòng của các hạt thiểu số được gọi là dòng rò và ký hiệu là ICO ICO có giá trị rất nhỏ cỡ nA tới vài A

(B-1.4.2 Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của BJT công suất

1 Đặc điểm cấu tạo

Yêu cầu thiết kế mâu thuẫn của các transistor công suất như là điện áp collector-emitter (C-E) cao và mật độ dòng điện lớn, tương tự như của một điốt công suất Do đó, việc mở rộng một số tính năng cấu trúc tương tự như của của điốt công suất là cần thiết Vì Transitor công suất loại N-P-N được dùng nhiều hơn, nên trong phần này và sau đó lấy loại N-P-N để minh họa cho BJT công suất

Một số tính năng khác biệt của BJT công suất loại N-P-N như sau:

Một BJT công suất có các lớp vật liệu bán dẫn N và P xen kẽ theo chiều dọc như trong hình 1.30 Cấu trúc dọc được ưu tiên cho các transistor công suất, vì nó tối

đa hóa diện tích mặt cắt ngang, qua đó dòng điện lớn chạy qua nó Vì vậy, điện trở và tổn hao công suất được giảm thiểu

Để duy trì hệ số khuếch đại dòng điện (β) lớn, mật độ pha tạp emitter cao hơn nhiều bậc (1019/cm3) so với vùng base Độ dày của vùng base cũng được làm càng nhỏ càng tốt

Hình 1.30 Độ dầy các lớp trong cấu tạo BJT công suất