1
TRƯỜNG ðẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA ðIỆN
BỘ MÔN TỰ ðỘNG HÓA

BÀI GIẢNG PHÁT CHO SINH VIÊN
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)
Theo chương trình 150 TC
Sử dụng cho năm học 2008-2009
Tên bài giảng: ðiện tử công suất
Số tín chỉ: 3


I.6. Tranzitor có các cực cách li – IGBT 31
I.7. Tổn hao công suất trên các linh kiện bán dẫn công suất 39
I.8. Làm mát các linh kiện bán dẫn công suất 44
Chương II: Chỉnh lưu ñiều khiển – bộ biến ñổi ñiện áp xoay chiều thành một
chiều
II.1. Tổng quan về bộ chỉnh lưu ñiều khiển 51
II.1.1. Sơ ñồ nối dây 51
II.1.2. Dòng và áp của bộ chỉnh lưu và tải 56
II.1.3. Các chế ñộ làm việc của bộ chỉnh lưu 59
II.1.4. Bộ chỉnh lưu làm việc với ñi ốt không D
0
61
II.1.5. Quá trình chuyển mạch 62
II.1.6. Ảnh hưởng của bộ chỉnh lưu ñến lưới ñiện 67
II.2. Phân tích khảo sát các sơ ñồ chỉnh lưu ñiều khiển 69
II.2.1. Các sơ ñồ chỉnh lưu hình tia 69
II.2.1.1. Sơ ñồ hình tia 1 pha không có D
0
69
II.2.1.2. Sơ ñồ hình tia 1 pha có diod D
0
70
II.2.1.3. Sơ ñồ hình tia 2 pha 74
II.2.1.4. Sơ ñồ hình tia 3 pha 79
II.2.1.5. Sơ ñồ hình tia 6 pha 84
II.2.2. Các sơ ñồ chỉnh lưu hình cầu 87
II.2.2.1. Sơ ñồ chỉnh lưu cầu 1 pha 87
II.2.2.2. Sơ ñồ chỉnh lưu cầu 3 pha 94
II.3. Các bộ chỉnh lưu mắc song song ngược ñể ñảo chiều ñiện áp cho tải 97


IV.2.2. Quá trình chuyển ñổi của bộ biến ñổi 165
IV.3. Mạch tạo xung ñiều khiển 169
IV.4. Bộ biến ñổi dùng Tranzitor công suất 175
IV.5. Một số ứng dụng của bộ biến ñổi xung ñiện áp 175
I.5.1. Tạo bộ nguồn ñiện áp cho tải 175
IV.5.2. Biến ñổi xung ñiện trở 178
Chương V: Nghịch lưu - Bộ biến ñổi ñiện áp một chiều thành xoay chiều

4
V.1. Tng quan v nghch lu 181
V.2. Nhgch lu 1 pha 184
V.2.1. Nghch lu ỏp mt pha 184
V.2.2. Nghch lu dũng mt pha 193
V.3. Nghch lu 3 pha 195
V.3.1. Nghch lu ỏp ba pha 195
V.3.1.1. Mch ủng lc v quỏ trỡnh khng ch 195
V.3.1.2. Mch chuyn ủi v kho sỏt quỏ trỡnh chuyn ủi 198
V.3.2. Nghch lu dũng ba pha 199
V.3.2.1. Mch ủng lc v quỏ trỡnh khng ch 199
V.3.2.2. Mch chuyn ủi v kho sỏt quỏ trỡnh chuyn ủi 200
V.3.2.3. Mch ủiu khin nghch lu ba pha 202
V.4. Mt s phng phỏp nõng cao cht lng ủin ỏp ra ca nghch lu ba pha
202
V.5. Nghch lu cng hng 205
V.5.1. Khỏi nim chung 205
V.5.2. Nghch lu cng hng ngun ỏp 206
V.5.3. Nghch lu cng hng ngun dũng 208
Ph lc 211
Ti liu tham kho


học
Nội dung giảng dạy

Hình th
ức
học
TL
T.khảo

Tuần

1
Chương I: Các linh kiện bán dẫn công suất ñiều khiển
I.1.Thyristor
I.2.Triắc
I.3.Thyristor khoá ở cực ñiều khiển _ GTO (gate turn- off
Thyristor)
I.4.Tranritor công suất – BJT (Bipolar junetion tranzitor)
I.5.Tranztor trường - MOSFET(Metal – oxide -
semiconductor)
I.6.Tranzitor có các cực cách li – IGBT (Insulatedgate
Bipolar Tranzitor)
I.7.Tổn hao công suất trên các linh kiện bán dẫn công suất
I.8.Làm mát các linh kiện bán dẫn công suất
Giảng

1,2,3,4,5


I.1 THYRISTOR
Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp
giáp p-n: J
1,
J
2,
J
3.
Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực ñiều khiển (G –
Gate) như ñược biểu diễn trên hình 1.1.

I.1.1 ðặc tính Vôn-Ampe của Thyristor
ðặc tính Vôn-Ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 1.2). Phần thứ
nhất nằm trong góc phần tư thứ I là ñặc tính thuận tương ứng với trường hợp ñiện
áp U
AK
> 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là ñặc tính ngược,
tương ứng với trường hợp: U
AK
< 0.
a) Trường hợp dòng ñiện vào cực ñiều khiển bằng không (I
G
= 0)
Khi dòng vào cực ñiều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực ñiều
khiển Thyristor sẽ cản trở dòng ñiện ứng với cả hai trường hợp phân cực ñiện áp
giữa Anode-Cathode. Khi ñiện áp U
AK
< 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai
tiếp giáp J

phân
cực ngược. Cho ñến khi U
AK
tăng ñạt ñến giá trị ñiện áp thuận lớn nhất U
th.max
, sẽ
Hình 1.1. Thyristor
Cấu trúc bán dẫn; Ký hiệu; Hình ảnh thực tế
n
p
n
-
p
GK
A
K
J
3
J
1
J
2
n
V
A
K
G
a)
b)


khiển ñịnh mức I
ñk ñm
.
I.1.2 Mở - khoá Thyristor
Thyristor chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ Anode ñến Cathode,
và không ñược chạy theo chiều ngược lại. ðiều kiện ñể Thyristor có thể dẫn dòng,
ngoài ñiều kiện phải có ñiện áp U
AK
> 0 còn phải thỏa mãn ñiều kiện là ñiện áp ñiều
khiển dương. Do ñó Thyristor ñược coi là phần tử bán dẫn có ñiều khiển.
a) Mở Thyristor
Khi ñược phân cực thuận, U
AK
> 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ
nhất, có thể tăng ñiện áp Anode-Cathode cho ñến khi ñạt ñến giá trị ñiện áp thuận
lớn nhất, U
th.max
, ñiện trở tương ñương trong mạch Anode-Cathode sẽ giảm ñột ngột
và dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác ñịnh. Phương pháp này trên
thực tế không ñược áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn.
Phương pháp thứ hai, phương pháp ñược áp dụng thực tế, là ñưa một xung
dòng ñiện có giá trị nhất ñịnh vào giữa cực ñiều khiển và Cathode. Xung dòng ñiện
ñiều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở
mức ñiện áp Anode-Cathode nhỏ. Khi ñó nếu dòng qua Anode-Cathode lớn hơn
một giá trị nhất ñịnh, gọi là dòng duy trì (I
dt
) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng
thái mở dẫn dòng mà không cần ñến sự tồn tại của xung dòng ñiểu khiển. ðiều này
nghĩa là có thể ñiều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có ñộ rộng xung
nhất ñịnh, do ñó công suất của mạch ñiều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất

dòng ñiện hoặc áp một ñiện áp ngược lên giữa Anode và Cathode của Thyristor.
Sau khi dòng về bằng không phải ñặt một ñiện áp ngược lên Anode-Cathode
(
0
AK
U
<
) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian khóa (ký hiệu là:
r
t
),
lúc này Thyristor sẽ khóa. Trong thời gian phục hồi có một dòng ñiện ngược chạy
giữa Cathode và Anode. Dòng ñiện ngược này di chuyển các ñiện tích ra khỏi tiếp
giáp J
2
và nạp ñiện cho tụ ñiện tương ñương của hai tiếp giáp J
1
, J
3
ñược phục hồi.
Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng ñiện tích cần ñược di chuyển ra ngoài cấu
trúc bán dẫn của Thyristor và nạp ñiện cho tiếp giáp J
1
, J
3
ñến ñiện áp ngược tại thời
ñiểm ñó.
Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor.
Thời gian phục hồi xác ñịnh dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian phục hồi
r

0
0
C
-10
0
C
U
GK9
xung ñiều khiển. Tín hiệu ñiều khiển là một xung có ñộ rộng càng ngắn thì công
suất cho phép có thể càng lớn.
Sơ ñồ tiêu biểu của một mạch khuếch ñại xung ñiều khiển Thyristor ñược cho
trên hình 1.4. Khóa Transistor T ñược ñiều khiển bởi một xung có ñộ rộng nhất
ñịnh, ñóng cắt ñiện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung ñiều khiển ñưa ñến cực ñiều
khiển của Thyristor ở phía bên cuộn thứ cấp. Như vậy mạch lực ñược cách ly hoàn
toàn với mạch ñiều khiển bởi biến áp xung. ðiện trở R hạn chế dòng qua Transistor
và xác ñịnh nội trở của nguồn tín
hiệu ñiều khiển. Diode D
1
ngắn
mạch cuộn sơ cấp biến áp xung
khi Transistor T khóa lại ñể
chống quá áp trên T. Diode D
2

ngăn xung âm vào cực ñiều
khiển. Diode D
3


ðây là giá trị ñiện áp ngược lớn nhất cho phép ñặt lên Thyristor. Tại bất kỳ
thời ñiểm nào ñiện áp giữa Anode-Cathode
AK
U
luôn nhỏ hơn. ðể ñảm bảo một ñộ
Hình 1.4. Sơ ñồ tiêu biểu mạch khuếch ñ
ại
xung ñiều khiển tiristo
* *

BAX

G
K
D
3

u
ñkT

D
1

D
2

R
B


quan trọng của Thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu ñộc lập, trong ñó phải
luôn ñảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 ñến 2 lần t
r
.
4/- Tốc ñộ tăng ñiện áp cho phép,
dU
dt
(V/
µ
s)
Thyristor ñược sử dụng như một phần tử có ñiều khiển, tức Thyristro ñược
phân cực thuận (U
AK
> 0) và có tín hiệu ñiều khiển thì nó mới cho phép dòng ñiện
chạy qua. Nhưng khi Thyristor ñược phân cực thuận chưa có U
ñk
thì phần lớn
ñiện áp rơi trên lớp tiếp giáp J
2
như ñược chỉ ra trên hình 1.5.
Lớp tiếp giáp J
2
bị phân cực ngược
nên ñộ dày của nó nở ra, tạo ra vùng
không gian nghèo ñiện tích, cản trở dòng
ñiện chạy qua. Vùng không gian này có
thể coi như một tụ ñiện có ñiện dung
2
J
C

C
J2
J
3
J
1
J
2
i=C
J2
(du/dt)
n
Hình 1.5. Hiệu ứng dU/dt tác dụng như
dòng ñiều khiển

11
dụng phải luôn ñảm bảo tốc ñộ tăng dòng dưới mức cho phép. ðiều này ñạt ñược
nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng. Cuộn kháng có thể lõi không
khí hoặc lõi ferit. Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn ñể tạo các ñiện
kháng giá trị khác nhau tuỳ theo số lượng xuyến sử dụng. Xuyến ferit tạo nên các
ñiện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hòa. Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ, ñiện
kháng sẽ có giá trị lớn ñể hạn chế tốc ñộ tăng dòng; khi dòng ñiện lớn, cuộn kháng
bị bão hòa, ñiện cảm giảm gần như bằng không. Như vậy, cuộn kháng kiểu này
không gây sụt áp trong chế ñộ dòng ñịnh mức qua thanh dẫn.
I.2 TRIAC

Triac là phần tử bán dẫn có cấu
trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên
cấu trúc p-n-p-n như ở Thyristor theo
cả hai chiều giữa các cực T

u
I
v
i(A)
(a)
I
dt
U
th,max
U
v,th
0
T
2
G
T
1
b)
-
+
R
Hình 1.6. Triac: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu;

c) Sơ ñồ tương ñương với hai
Thyristor song song
ng
ư
ợc

G

Vào những năm 80 của thế kỷ trước, chuyển mạch của Thyristor là vấn ñề
ñược rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm giải quyết. Tuy nhiên, ngày nay các van
bán dẫn ñiều khiển hoàn toàn với công nghệ hoàn chỉnh ñã ñược sản xuất hàng loạt
làm nhiệm vụ của các nhà nghiên cứu nhẹ ñi rất nhiều.
Các GTO, như tên gọi của nó, nghĩa là khóa lại ñược bằng cực ñiều khiển, có
khả năng ñóng cắt các dòng ñiện rất lớn, chịu ñược ñiện áp cao giống như Thyristor,
là một van ñiều khiển hoàn toàn, có thể chủ ñộng cả thời ñiểm khóa dưới tác ñộng
của tín hiệu ñiều khiển. Việc ứng
dụng các GTO ñã phát huy ưu ñiểm cơ
bản của các phần tử bán dẫn, ñó là khả
năng ñóng cắt dòng ñiện lớn nhưng lại
ñược ñiều khiển bởi các tín hiệu ñiện
công suất nhỏ.
Cấu trúc bán dẫn của GTO phức
tạp hơn so với Thyristor như ñược chỉ
ra trên hình 1.8. Ký hiệu của GTO
cũng chỉ ra tính chất ñiều khiển hoàn
toàn của nó. ðó là dòng ñiện ñi vào cực ñiều khiển ñể mở GTO, còn dòng ñi ra khỏi
cực ñiều khiển dùng ñể di chuyển các ñiện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, ñể
khóa GTO lại.
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, Anode ñược bổ sung các lớp n+. Dấu
“+” ở bên cạnh chỉ ra rằng mật ñộ các ñiện tích tương ứng, các lỗ hoặc ñiện tử,
ñược làm giàu thêm với mục ñích làm giảm ñiện trở khi dẫn của các vùng này.
Cực ñiều khiển vẫn ñược nối vào lớp p thứ ba nhưng ñược chia nhỏ ra và phân bố
ñều so với lớp n
+
của Cathode.
n
+
n

J
3
a)
b)
Hình 1.8. GTO:
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

13
Khi chưa có dòng ñiểu khiển, nếu Anode có ñiện áp dương hơn so với
Cathode thì toàn bộ ñiện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J
2
ở giữa, giống như trong cấu trúc
của Thyristor. Tuy nhiên nếu Cathode có ñiện áp dương hơn so với Anode thì tiếp
giáp p
+
-n ở sát Anode sẽ bị ñánh thủng ngay ở ñiện áp rất thấp, nghĩa là GTO không
thể chịu ñược ñiện áp ngược.
GTO ñược ñiều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực ñiều khiển, giống như
ở Thyristor thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở
GTO cao hơn ở Thyristor thường. Do ñó, dòng ñiều khiển phải có biên ñộ lớn hơn và
duy trì trong thời gian dài hơn ñể dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì.
Giống như ở Thyristor thường, sau khi GTO ñã dẫn thì dòng ñiều khiển không còn
tác dụng. Như vậy, có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không ñáng kể.
ðể khoá GTO, một xung dòng phải ñược lấy ra từ cực ñiều khiển. Khi van
ñang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các ñiện tích sinh ra do tác dụng
của hiệu ứng bắn phá "vũ bão" tạo nên vùng dẫn ñiện, cho phép các ñiện tử di
chuyển từ Cathode, vùng n
+
ñến Anode, vùng p
+

T
1
T
2
R
1
+15V
D
Z
12V
C
1
G
A
K
V
V
A
G
K
Më
Khãa
I
G’max
I
G
t
a)
b)
Hình 1.9. Nguyên lý ñiều khiển GTO:

1
, tụ C
1
bị ngắn mạch qua cực ñiều khiển và
Cathode, Transistor T
2
tạo nên dòng ñi ra khỏi cực ñiều khiển, khoá GTO lại. Diode
D
z
ngăn không cho tụ C, nạp ngược lại.
Ở ñây vai trò của nguồn áp chính là tụ C
l
, do ñó tụ C
l
Phải chọn là loại có chất
lượng rất cao. Transistor T
2
phải chọn là loại chịu ñược xung dòng có biên ñộ lớn
chạy qua.
I.4 TRANSISTOR CÔNG SUẤT, BJT (Bipolar Junction Transistor)
Transistor là phần tử bán dẫn có cấu
trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p
(bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược),
tạo nên hai tiếp giáp p-n. Cấu trúc này
thường ñược gọi là Bipolar Junction
Transistor (BJT), vì dòng ñiện chạy trong
cấu trúc này bao gồm cả hai loại ñiện tích
âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực
tính). Transistor có ba cực: Base (B),
Collector (C) và Emitter (E). BJT công

bh
= 1,2 ÷ 1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi ñó Transistor sẽ ở trong chế
ñộ bão hòa với ñiện áp giữa Collector và Emitter rất nhỏ, cỡ 1 ÷ 1,5V, gọi là ñiện áp
bão hòa,
.
CE bh
U
.
n nn p
n
-
n
E (Emitter)
(Base)
C
a)
b)
C
E
B
B
Hình 1.11. BJT:
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

15
Khi khoá, dòng ñiều khiển I
B
bằng không, lúc ñó dòng Collector gần bằng
không, ñiện áp
CE

Transistor không còn khả năng khống chế dòng ñiện ñược nữa và giá trị dòng ñiện
sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết ñịnh. ðó là chế ñộ mở bão hòa. Cơ chế tạo ra
dòng ñiện ở ñây là sự thâm nhập của các ñiện tích khác dấu vào vùng Base p, các
ñiện tử, vì vậy BJT còn gọi là cấu trúc với các hạt mang ñiện phi cơ bản, phân biệt
với cấu trúc MOSFET, là cấu trúc với các hạt mang ñiện cơ bản.

16
I.4.1 ðặc tính ñóng cắt của Transistor
Chế ñộ ñóng cắt của Transistor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các
tiếp giáp B-E và B-C,
BE
C
và
BC
C
. Ta phân tích quá trình ñóng cắt của một
Transistor qua sơ ñồ khoá trên hình 1.12a, trong ñó Transistor ñóng cắt một tải
thuần trở R
t
dưới ñiện áp
n
U
+
ñiều khiển bởi tín hiệu ñiện áp từ
2
B
U
−
ñến
1

U
−
ñến
1
B
U
. Khi
BE
U
còn
nhỏ hơn không, chưa có hiện tượng gì xảy ra ñối với
C
I
và
CE
U
. Tụ
in
C
chỉ nạp ñến
giá trị ngưỡng mở
*
U
của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 ÷ 0,7V, bằng ñiện áp rơi trên diode
theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc. Dòng ñiện và ñiện áp trên BJT chỉ bắt
ñầu thay ñổi khi
BE
U
giá trị không ở ñầu giai ñoạn (3). Khoảng thời gian (2) gọi là
thời gian trễ khi mở,

+U
n
i
B
(t)
i
C
(t)
I
C,bh
U
n
-I
C,bh
.R
t
t
t
t
t
t
(b)
C
B C
C
BE
R
t
+U
n

Collector càng làm tăng thêm các ñiện tử ñến từ Emitter. Quá trình tăng dòng
C
I
,
E
I
tiếp tục xảy ra cho ñến khi trong Base ñã tích lũy ñủ lượng ñiện tích dư thừa
B
Q
∆
mà tốc ñộ tự trung hòa của chúng ñảm bảo một dòng Base không ñổi:

1
1
*
B
B
B
U U
I
R
−
=

Tại ñiểm cộng dòng ñiện tại Base trên sơ ñồ hình I.12a, ta có:

1
. .
B C BE C BC B
I i i i

C
I
ñã ñạt ñến giá trị bão
hòa,
C.bh
I
, BJT ra khỏi chế ñộ tuyến tính và ñiều kiện
C B
i i
β
=
không còn tác dụng
nữa. Trong chế ñộ bão hòa cả hai tiếp giáp B-E và B-C ñều ñược phân cực thuận.
Vì khoá làm việc với tải trở trên Collector nên ñiện áp trên Collector - Emitter
CE
V

cũng giảm theo cùng tốc ñộ với sự tăng của dòng
C
I
. Khoảng thời gian (3) phụ
thuộc vào ñộ lớn của dòng
1
B
I
, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn.
Trong khoảng (4), phần cuối của ñiện áp
CE
U
tiếp tục giảm ñến giá trị ñiện áp

2
2
*
B
B
B
U U
I
R
−
=18
Lúc ñầu các ñiện tích ñược di chuyển ra ngoài bằng dòng không ñổi
2
B
I
Giai
ñoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai ñoạn (6) khi mật ñộ ñiện tích trong tiếp giáp
Base-Collector giảm về bằng không và sau ñó tiếp giáp nay bắt ñầu bị phân cực
ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá,
( )
d off
t
.
Trong khoảng (7), dòng Collector
C
I
bắt ñầu giảm về bằng không, ñiện áp

C
;
B
i
là dòng ñầu vào của Transistor. Từ
ñó có thể thấy quy luật
.
C B
I i
β
=
vẫn ñược thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn ñược phân
cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. ðến cuối khoảng (7) Transistor mới
khoá lại hoàn toàn.
Trong khoảng (8), tụ Base-Emitter tiếp tục nạp tới ñiện áp ngược
2
B
U
−

Transistor ở chế ñộ khoá hoàn toàn trong khoảng (9).
c. Dạng tối ưu của dòng ñiều khiển khoá Transistor
Transistor có thể khoá lại bằng cách cho ñiện áp ñặt giữa Base-Emitter bằng không,
tuy nhiên có thể thấy rằng khi ñó thời gian khoá sẽ bị kéo dài ñáng kể. Khi dòng
2
0
B
I
=
, toàn bộ ñiện tích tích lũy trong cấu trúc bán dẫn của Transistor sẽ suy giảm

B
I
cũng cần có biên ñộ lớn ñể rút ngắn thời gian trễ khi khoá
( )
d off
t
và thời gian khoá
( )
r off
t
(khoảng (7) trên ñồ thị hình 1.12b).
Tuy nhiên, dòng
B
I
cũng làm nóng các tiếp giáp trong BJT, vì vậy giá trị biên
ñộ của chúng cũng phải ñược hạn chế phù hợp theo các giá trị giới hạn cho trong
các ñặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất.
Hình 1.13. Dạng dòng ñiện ñiều
khiển lý tưởng cho một khóa BJTi
B
(t)
I
B1
K
bh
.I
C

ủi dũng ủin ca BJT cụng sut tng ủi
thp, thụng thng 10, ủiu ny ngha l
BJT yờu cu dũng ủiu khin tng ủi ln.
H s khuch ủi dũng ủin gim mnh khi
dũng lm vic ln hn. Cú th gim ủc
dũng ủiu khin nh cỏch mc Darlington.
c tớnh ra, th hin trờn hỡnh 1.14b, l
mi quan h gia dũng Collector v ủin ỏp Collector, U
CE
vi I
B
l cú ba giỏ tr
ủin ỏp ủỏnh thng U
CE0
, U
CB0
, U
SUS
. Cỏc giỏ tr ủin ỏp ny ủc cho trong cỏc ủc
tớnh k thut ca nh sn xut. U
CB0
l ủin ỏp ủỏnh thng tip giỏp Base-Collector
khi h mch Emitter. U
CB0
l ủin ỏp ủỏnh thng Collector - Emitter khi dũng ủiu
khin bng khụng. Cú th thy U
CE0
cú giỏ tr ln hn
ủin ỏp ủỏnh thng Collector-Emitter khi dũng ủiu
khin ln hn khụng, U

dựng ủ cng
bc quỏ trỡnh khoỏ Q
2
.
Tuy nhiờn cỏch ni Darlington lm cho ủin ỏp ri trờn Collector-Emitter ca
Transistor hp thnh ln hn so vi trng hp ch dựng mt Transistor, ngha l
Hỡnh 1.15. Tranzito m
c
Darlington

C
E
B
1
B
2
Q
2
Q1
D1
I
C
Chiều tăng I
B
I
B
=0
Hở Emitter
U
CE


U

CE

=5

V

U

CE

=

0

,

5

V
U

CE

=

0


I
C

(

A)

0

Vùng tuyến tính

C

I



B

I

20
tổn thất trên phần tử khi dẫn dòng cũng lớn hơn. ðiều này có thể ñược chứng tỏ qua
sơ ñồ ở hình 1.15 vì ñiện áp giữa Collector-Emitter của mạch Darlington bằng:
U
CE
= U

MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n.
Trên Hình 1.17 mô tả sự tạo thành kênh
dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Trong
chế ñộ làm việc bình thường u
DS
> 0. Giả sử
ñiện áp giữa cực ñiều khiển và cực gốc bằng
không, u
DS
= 0, khi ñó kênh dẫn sẽ hoàn toàn
không xuất hiện. Giữa cực gốc và cực máng sẽ là
tiếp giáp p-n
-
phân cực ngược. ðiện áp u
DS
sẽ
hoàn toàn rơi trên vùng nghèo ñiện tích của tiếp
giáp này (hình 1.17a).
Nếu ñiện áp ñiều khiển âm, U
GS
< 0, thì
vùng bề mặt giáp cực ñiều khiển sẽ tích tụ các lỗ (p), do ñó dòng ñiện giữa cực gốc
p
n
nnn
p
n
-
Cùc gèc
(S Source)

p
n
nnn
p
n
-
n
Diode trong
a)
n
b)
c)

21
và cực máng sẽ không thể xuất hiện. Khi ñiện áp ñiều khiển là dương, U
GS
> 0 và
ñủ lớn bề mặt tiếp giáp cực ñiều khiển sẽ tích tụ các ñiện tử, và một kênh dẫn thực
sự ñã hình thành (hình 1.17b). Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các
phần tử mang ñiện là các ñiện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên
MOSFET ñược gọi là phần tử với các hạt mang ñiện cơ bản, khác với các cấu trúc
của BJT, IGBT, Thyristor là các phần tử với các hạt mang ñiện phi cơ bản. Dòng
ñiện giữa cực gốc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào ñiện áp U
DS
.
Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.17c), có thể thấy rằng giữa cực
máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n
-
tương ñương với một diode ngược nối
giữa D và S. Trong các sơ ñồ bộ biến ñổi, ñể trao ñổi năng lượng giữa tải và nguồn

∆
D
m
GS
I
G
U

Trong ñó: U
GS(th)
, g
m
là những thông số của MOSFET. Người ta có thể dùng
giá trị nghịch ñảo của g
m
là ñiện trở thuận R
DS(ON)
ñể ñặc trưng cho quá trình dẫn
của MOSFET.
I.5.2. ðặc tính ñóng cắt của MOSFET
Do là một phần tử với các hạt mang ñiện cơ bản, MOSFET có thể ñóng cắt với
tần số rất cao. Tuy nhiên ñể có thể ñạt ñược thời gian ñóng cắt rất ngắn thì vấn ñề
ñiều khiển là rất quan trọng. Cơ chế ảnh hưởng ñến thời gian ñóng cắt của
MOSFET là các tụ ñiện ký sinh giữa các cực.
I
D
(A)
U
GS
U

Phải ñược nạp ñến ñiện áp U
GS(th)
trước khi dòng cực máng có thể xuất
hiện. Tụ giữa cực ñiều khiển và cực máng C
GD
có ảnh hưởng mạnh ñến giới hạn
tốc ñộ ñóng cắt của MOSFET. Hình 1.19b chỉ ra sơ ñồ tương ñương của một
MOSFET và các tụ ký sinh tương ứng.
Các tụ này thực ra có giá trị thay ñổi tùy theo mức ñiện áp, ví dụ C
GD
thay ñổi
theo ñiện áp U
DS
giữa giá trị thấp C
GDI
và giá trị cao C
GDh
ñược chỉ ra trên hình 1.20. a. Quá trình mở
Giả sử ta xét quá trình mở MOSFET, làm việc với tải trở cảm, có diode không.
ðây là chế ñộ làm việc tiêu biểu của các khóa bán dẫn. Sơ ñồ và ñồ thị dạng dòng
ñiện, ñiện áp của quá trình mở MOSFET ñược thể hiện trên hình 1.21a và hình
1.21b. Tải cảm trong sơ ñồ thể hiện bằng nguồn dòng nối song song ngược với
Hình 1.19. Mô hình một khóa MOSFET
a/- Các thành phần tụ ký sinh giữa các lớp bán dẫn trong cấu trúc MOSFET.
b/- Mạch ñiện tương ñương
Hình 1.20. Sự phụ thuộc của
tụ ñiện C

Gint
G
I
GS
I
GD
R
Gext
Hình 1.21a. Sơ ñồ quá trình mở
một MOSFET

23
diode dưới ñiện áp một chiều U
DD
. MOSFET ñược ñiều khiển bởi ñầu ra của vi
mạch DRIVER dưới nguồn nuôi U
CC
nối tiếp quang ñiện trở R
Gext
. Cực ñiều khiển
có ñiện trở nội R
Gint
. Khi có xung dương ở ñầu vào của DRIVE, ở ñầu ra của nó sẽ
có xung với biên ñộ U
P
ñưa ñến trở R
Gext
.
Như vậy U
GS

. Trong khoảng này cả ñiện áp U
DS
lẫn
dòng I
D
ñều chưa thay ñổi. t
d(on)
= t
1
gọi là thời gian trễ khi mở. Bắt ñầu từ thời ñiểm
t
1
khi U
GS
ñã vượt qua giá trị ngưỡng, dòng cực máng I
D
bắt ñầu tăng, tuy nhiên
ñiện áp U
DS
vẫn giữ nguyên ở giá trị ñiện áp nguồn U
DD
.
Trong khoảng t
1
ñến t
2
, dòng I
D
tăng tuyến tính rất nhanh, ñạt ñến giá trị
dòng tải. Từ t

dr
+ R
Gext
+ R
Gin
) × (C
GS
+ C
GDh
)
Vì lúc này tụ C
GD
ñã tăng ñến giá trị cao C
GDh
(hình 1.20). U
GS
sẽ tăng ñến giá
trị cuối cùng, xác ñịnh giá trị thấp nhất của ñiện áp giữa cực gốc và cực máng, U
DS

= I
DS
.R
DS(on)
.
Trên ñồ thị ở hình 1.21, A
1
ñặc trưng cho ñiện tích nạp cho tụ (C
GS
+ C

24
b. Quá trình khoá MOSFET
Dạng sóng của quá trình khoá thể hiện trên hình 1.23. Khi ñầu ra của vi mạch
ñiều khiển Driver xuống ñến mức không U
GS
bắt ñầu giảm theo hàm mũ với hằng
số thời gian T
2
= (R

là thời gian trễ khi khoá t
d(off)
, dòng ñiều khiển phóng ñiện cho tụ
C
GS
và tụ C
GD
. Sau thời ñiểm t, ñiện áp U
SD
bắt ñầu tăng từ I
D
.R
DS(on)
ñến giá trị
cuối cùng tại t
3
, trong khi ñó dòng I
D
vẫn giữ nguyên mức cũ. Khoảng thời gian từ t
2

ñến t
3
tương ứng với mức Miller, dòng ñiều khiển và ñiện áp trên cực ñiều khiển
giữ nguyên giá trị không ñổi. Sau thời ñiềm t
3
dòng I
D
bắt ñầu giảm về ñến không ở
thời ñiềm t

i
D
(t)
t
1
t
2
t
3
0
U
DS(on)
t
t
t
t
t
t
4
)
2
1.()(
T
t
e
P
Ut
GS
U
−

(t)
u
DS
(t)
I
G
I
D
i
D
(t)
t
1
t
2
t
3
0
U
DS(o
n)
t
t
t
t
t
Hình 1.22. Quá trình mở một
MOSFET dưới ảnh hưởng của quá
trình phục hồi diode
(ðồ thị dòng ñiện, ñiện áp)

OSS
dưới những ñiều kiện nhất ñịnh như ñiện áp U
DS
,
U
GS
. Có thể tính ra các tụ ký sinh như sau:
C
GD
= C
RSS
C
GS
= C
ISS
- C
RSS

C
DS
= C
OSS
- C
RSS

Có thể tính các giá trị trung bình cho các tụ C
GD
và C
DS
với ñiện áp làm việc

ñiện áp khi khoá giữa cực máng và cực gốc. U
DS(off)
nhất ñịnh. Khi ñó công suất
mạch ñiều khiển ñược tính bằng:
P
ñiều khiển
= U
CC
.Q
g
.f
gw

trong ñó: f
gw
là tần số ñóng cắt của MOSFET.
Tổn hao công suất do quá trình ñóng cắt trên MOSFET ñược tính bằng:

( )
w w off
1
2
g DS D on
P U I f t t
= +

Trong ñó: t
on
, t
off