Đề cương bài giảng Điện tử công suất và truyền động điện

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐOÀN VĂN ĐIỆN ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HƯNG YÊN 2017 2 MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................................. 2 PHẦN 1- ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ............................................................................................ 5 Chương 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN .............................................. 6 1.1. NHIỆM VỤ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT .................................................................. 6 1.2. CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN ................................................... 6 1.2.1. Diode công suất ....................................................................................................... 6 1.2.2. Transistor công suất .............................................................................................. 10 1.2.3. Thyristor (SCR-Silicon Controlled Rectifier) ....................................................... 18 1.2.4. Triac (Triode Alternative Current) ........................................................................ 25 1.2.5. GTO (GATE TURN-OFF Thyristor) .................................................................. 27 1.2.6. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor) ............................................................. 28 1.2.7. IGTC (Integrated Gate Commutated Thyristor).................................................... 29 1.2.8. MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR) ....................................................... 30 1.2.9. MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR) .............................................................. 31 1.2.10. ETO (EMITTER TURN OFF THYRISTOR) .................................................... 32 1.2.11. Khả năng hoạt động của các linh kiện................................................................. 34 Chương 2. CHỈNH LƯU DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU ......................................................... 35 2.1. PHÂN BIỆT SƠ ĐỒ MẠCH CHỈNH LƯU, LUẬT ĐÓNG MỞ VAN ...................... 35 2.1.1. Phân biệt sơ đồ mạch chỉnh lưu ............................................................................ 35 2.1.2. Nguyên lí làm việc, luật đóng mở van .................................................................. 36 2.2. CHỈNH LƯU HÌNH TIA .............................................................................................. 39 2.2.1. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha không và có điều khiển .................................... 39 2.2.2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không và có điều khiển ....................................... 41 2.3. MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU ............................................................................... 42 2.3.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không và có điều khiển ................................... 42 2.3.2. Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không và có điều khiển ..................................... 44 2.4. CÁC MẠCH CHỈNH LƯU BÁN ĐIỀU KHIỂN ......................................................... 47 2.4.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha ......................................................................... 47 2.4.2. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha ................................................................................... 48 Chương 3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................... 51 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG ................................................................................................. 51 3.2. BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP ............................................. 53 3.3. MẠCH XUNG ÁP SONG SONG ................................................................................ 55 3.4. BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ÁP 1 CHIỀU HỖN HỢP ................................................... 56 3.5. MỘT SỐ SƠ ĐỒ XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÁC .................................................... 57 3.5.1. Sơ đồ xung áp loại B ............................................................................................. 58 3.5.2. Sơ đồ xung áp có đảo chiều................................................................................... 61 Chương4. ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU ........................................................................................ 69 4.1. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ................................................. 69 4.1.1. Sơ đồ nguyên lý ..................................................................................................... 69 4.1.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................................... 69 4.1.3. Chế độ dòng tải ..................................................................................................... 70 4.2. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA ........................................................ 71 4.2.1. Trường hợp tải thuần trở đối xứng ........................................................................ 72 4.2.2. Trường hợp tải thuần cảm đối xứng ..................................................................... 73 4.2.3. Trường hợp tải điện trở và điện cảm ..................................................................... 74 Chương 5.NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN .............................................................................. 76 5.1. THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI DÒNG ĐIỆN MỘT PHA ......................................................... 76 5.2. BBĐ MCXC NGUỒN ÁP 3 PHA ................................................................................ 76 5.3. THIẾT BỊ BIẾN TẦN BA PHA GIÁN TIẾP .............................................................. 77 3 5.3.1. Khái niệm chung ................................................................................................... 77 5.3.2. Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn áp ......................................................................... 78 5.3.2. Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn dòng ..................................................................... 79 5.4. BIẾN TẦN TRỰC TIẾP ............................................................................................... 81 Chương 6.NGUYÊN TẮC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI........................ 84 6.1. CÁC NGUYÊN TẮC VÀ CÁC KHÂU ĐIỀU KHIỂN ............................................... 84 6.1.1. Các nguyên tắc điều khiển .................................................................................... 84 6.1.2. Khuếch đại và biến đổi xung điều khiển ............................................................... 86 6.2. MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .................................................................................. 86 6.2.1. Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu ............................................................................... 86 6.2.2. Mạch điều khiển bộ điều áp xoay chiều ................................................................ 86 PHẦN 2 - TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ........................................................................................ 101 Chương 1. KHÁI NIỆM, CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ......................................................................................................... 101 1.1. CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG .. 101 1.1.1. Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động ................................................ 101 1.1.2. Phân loại hệ thống truyền động điện tự động ...................................................... 101 1.2. CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ............ 102 1.2.1. Đặc tính cơ của động cơ điện .............................................................................. 102 1.2.2. Đặc tính cơ của máy sản xuất .............................................................................. 103 1.2.3. Trạng thái làm việc của hệ truyền động điện tự động ......................................... 104 1.2.4. Quy đổi các đại lượng cơ học .............................................................................. 105 1.2.5. Phương trình động học của hệ TĐĐ TĐ ............................................................. 107 1.2.6. Điều kiện ổn định tĩnh của hệ truyền động điện tự động .................................... 107 1.2.7. Các đặc tính của động cơ điện............................................................................. 108 1.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP ......... 109 1.3.1. Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số ...................................... 110 1.3.2. Vẽ các đặc tính cơ ............................................................................................... 115 1.3.3. Tính toán điện trở khởi động ............................................................................... 117 1.3.4. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm .................................................................. 117 1.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP .......... 122 1.4.1. Phương trình đặc tính cơ và cách vẽ ................................................................... 122 1.4.2. Tính toán điện trở khởi động ............................................................................... 126 1.4.3. Các trạng thái hãm của động cơ kích từ nối tiếp ................................................. 126 1.5. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ KĐB .............................................................................. 128 1.5.1. Phương trình đặc tính cơ ..................................................................................... 128 1.5.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ ...................................................... 131 1.5.3. Khởi động và cách xác định điện trở khởi động ................................................. 133 1.5.4. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm .................................................................. 134 1.6. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ ..................................................................... 140 1.6.1. Các đặc tính động cơ đồng bộ ............................................................................. 140 1.6.2. Khởi động và hãm động cơ đồng bộ ................................................................... 143 CHƯƠNG 2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .............................. 146 2.1. VẤN ĐỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ VÀ CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TĐĐ ................................................................................................................................... 146 2.1.1. Các định nghĩa ......................................................................................................... 146 2.1.2. Các chỉ tiêu chất lượng ............................................................................................ 148 2.2. CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH ............................................................................ 149 2.2.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMĐL bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ .......................................................................................................................... 149 2.2.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ: ......................................................................................................................... 151 4 2.2.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng: ....................................................................................................................... 151 2.3. CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ............................................................................... 152 2.3.1. Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ) ............................................................ 152 2.3.2. Hệ Chỉnh lưu - Động cơ một chiều ..................................................................... 155 2.3.3. Các hệ TĐ điều chỉnh xung áp - động cơ ĐC ..................................................... 157 2.3.4. Đặc tính cơ .......................................................................................................... 158 2.4. ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TĐĐ MỘT CHIỀU ...................................... 159 2.4.1. Điều chỉnh Eb theo dòng tải................................................................................. 159 2.4.2. Điều chỉnh Eb theo điện áp phần ứng .................................................................. 161 2.4.3 Điều chỉnh Eb theo tốc độ ..................................................................................... 161 Chương 3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.................................. 163 3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG .............................................................................................. 163 3.2 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH ROTOR ............................................................... 163 3.3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ĐỘNG CƠ ......................................................................... 165 3.4. ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TRƯỢT PS ................................................................. 171 3.5. ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ CỦA NGUỒN CẤP CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ........................................................................................................................................... 173 3.5.1. Điều chỉnh tần số - điện áp .................................................................................. 173 3.5.2. Các bộ biến đổi tần số điện áp ............................................................................ 175 Chương 4. CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ........................................................................ 178 4.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG ....................................................................................... 178 4.1.1. Đặt vấn đề............................................................................................................ 178 4.1.2. Phát nóng và làm nguội động cơ điện ................................................................. 178 4.1.3. Phân loại chế độ làm việc của truyền động điện ................................................. 180 4.2. CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO NHỮNG TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ............................................................................................................... 182 4.2.1.Chọn động cơ làm việc dài hạn ............................................................................ 182 4.2.2. Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại ......................................... 182 4.3. CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CÓ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ...................................................................................................................................... 183 4.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM NGHIỆM CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ........................ 184 5 PHẦN 1- ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT MỞ ĐẦU Điện tử công suất là một chuyên ngành của điện tử học nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong sơ đồ các bộ biến đổi nhằm biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được, cung cấp cho các phụ tải điện. Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là sử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải. Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại đầu ra của bộ biến đổi. Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi đầu ra của bộ biến đổi và cực tiểu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt). Các bộ biến đổi bán dẫn 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 những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi 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 chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được. Với đối tượng nghiên cứu là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, Điện tử công suất còn có tên gọi là "Kỹ thuật biến đổi điện năng". Để phân biệt với các chuyên ngành khác của kỹ thuật điện tử liên quan đến quá trình xử lý tín hiệu với mức điện áp thấp và dòng điện nhỏ, Điện tử công suất còn được gọi là "Kỹ thuật dòng điện lớn". Tuy nhiên Điện tử công suất cũng nghiên cứu các sơ đồ mạch điều khiển các van bán dẫn công suất bằng các phần tử bán dẫn công suất nhỏ, vì vậy các tên gọi trên đây chỉ phản ánh một phần phạm vi nghiên cứu của lĩnh vực này. Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, 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, 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 đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. 6 Chương 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 1.1. NHIỆM VỤ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1.1. Định nghĩa, Phân loại a. Điện tử tín hiệu b. Điện tử công suất lớn 1.1.2. Nhiệm vụ của Điện tử công suất A. Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều B. Điều chỉnh điện áp và dòng điện một chiều C. Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều D. Nghịch lưu và biến tần 1.2. CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 1.2.1. Diode công suất a. 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 (Mendeleev) các nguyên tố bán dẫn chiếm vị trí trung gian (Hình 1.1) 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 1.2a). Hình 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, những khuyết tật có thể của 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 đổ 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 chảng 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 1.2b). 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). 7 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 khαi 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 chât 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. Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B, C, Si, Ge, S, Secác hợp chất như ZnS, CdSb, AlSbcác ôxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2các 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. b. Tính dẫn điện một chiều của lớp tiếp xúc P-N Khi ghép 2 loại bán dẫn P và N lại với nhau (Hình 1.3) thì tại chỗ hai mặt ghép giáp nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xúc P-N (ký hiệu là: J - Junction). Hình 1.2. Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c) Quá trình xảy ra như sau: Tại chỗ ghép, các điện tử âm tự do từ bán dẫn N chuyển sang bán dẫn P, chúng tái hợp với các lỗ trống và trở nên trung hoà về điện. Phía bán dẫn P, do mất lỗ trống nên trở thành mang điện âm. Phía bán dẫn N do mất điện tử nên trở thành mang điện dương. Do vậy, một điện trường E0 ở lớp tiếp xúc P-N được hình thành và hướng từ N sang P ( Hình 1.3a). Điện trường nay như một bức rào ngăn không cho lỗ trống từ P tiếp tục sang N và điệ tử từ N tiếp tục sang P. Nếu nối P-N với một nguồn điện một chiều để tạo sự phân cực thuận (Hình 3b) tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn P, cực âm của nguồn nối với bán dẫn N thì có một điện trường ngoài (do nguồn ngoài tạo ra) hướng từ P sang N, mạnh hơn E0 và ngược hướng E0. Điện trường này giúp lỗ trống dương tiếp tục từ P sang N và điện tử tiếp tục từ N sang P tạo ra dòng điện thuận Ith qua lớp tiếp xúc P-N. Nếu nối P-N để tạo ra phân cực ngược (Hình 1.3c) tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn N và cực âm của nguồn nối với bán dẫn P thì điện trường ngoài sẽ hướng từ N sang P cùng chiều với lớp tiếp xúc E0 cản trở sự dịch chuyển của các lỗ trống từ P sang N và điện tử tự do từ N sang P nên dòng điện không tạo ra được. Trên thực tế, vẫn có một dòng điện rất nhỏ qua lớp tiếp xúc gọi là dòng điện ngược (vì chảy từ N sang P) hay dòng điện rò. Ge Ge Ge GeGe a, 8 Hình 1.3. Sự hình thành lớp tiếp xúc P-N Vậy lớp tiếp xúc P-N có một tính chất đặc biệt là chỉ cho dòng điện chảy qua khi phân cực thuận và ngăn cản không cho dòng điện chảy qua khi phân cực ngược. Tính chất này có được là do điện trường lớp tiếp xúc E0 hướng từ N sang P. Điện trường E0 tạo ra một bức rào thế. c. Diode công suất Diode là phần tử bán dẫn gồm 2 miếng bán dẫn P và N ghép lại với nhau. Đầu nối với bán dẫn P gọi là anode (A), đầu nối với bán dẫn N gọi là cathode (C). Đặc tính Von-Ampe của Diode biểu thị quan hệ I(U) giữa dòng điện qua Diode và điện áp đặt vào hai cực Diode Đặc tính Von-Ampe tĩnh của Diode có hai nhánh. Hình 1.4. Cấu tạo của Diode công suất Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận thì dòng điện đi qua Diode tăng theo điện áp. Khi điện áp đặt vào Diode vượt một ngưỡng Un cỡ 0, 1V-0, 5V và chưa lớn lắm thì đặc tính có dạng Parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần như đường thẳng (đoạn 2). Điện trở thuận của Diode ở một điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và có thể tính theo: Rth = = tgα. Đó chính là nghịch đảo của giá trị đạo hàm dI/dU của đặc tính tại điểm tính điện trở. Nhánh ngược: ứng với phân áp ngược. Lúc đầu điện áp ngược tăng thì dòng điện ngược (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (đoạn 3). Tới điện áp ngược |U| > 0, 1V thì dòng điện ngược có trị số nhỏ khoảng vài mA và gần như giữ nguyên. Sau đó, khi điện áp ngược đủ lớn |U| > Ung.max thì dòng điện ngược tăng nhanh (đoạn 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì Diode bị đánh thủng. U I   9 Lúc này, dòng điện ngược tăng vọt dù có giảm điện áp. Điện áp này gọi là điện áp chọc thủng. Diode bị phá hỏng, để đảm bảo an toàn cho Diode, ta nên chọn Diode làm việc với điện áp ngược điện áp ~ 0, 8 Ung.max. Với Ung< 0, 8 Ung.max thì dòng điện rò qua Diode nhỏ không đáng kể và Diode coi như ở trạng thái khoá. Hình 1.5. Đặc tính Von-Ampe của Diode Vùng khuỷu là vùng điện trở ngược của Diode đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngược từ trị số rất nhỏ trở thành trị số rất lớn. Từ đặc tính V.A của Diode, có thể thấy Diode (do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc P-N) chỉ cho dòng điện chảy qua từ anode A sang cathode C khi phân áp thuận và không cho dòng điện qua từ cathode C sang anode A khi phân áp ngược. Đặc tính của Diode thực là một đường phi tuyến (không thẳng) (đường a hình 1.6). Đặc tính V.A của một Diode lý tưởng là nhữngđoạn thẳng (đường b hình 1.6) vì khi phân áp thuận, điện trở RAC là bằng 0, dòng điện thuận coi như ngắn mạch, còn khi phân áp ngược điện trở RAC là vô cùng, không có dòng điện ngược. Đặc tính V.A của Diode còn thay đổi theo nhiệt độ (hình 1.7). Hình 1.6. Đặc tính V-A của Diodethực vàDiode lý tưởng Hình 1.7. Đặc tính Volt-Ampe của Diode phụ thuộc nhiệt độ Qua đặc tính V-A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà Diode có thể dẫn dòng hay không dẫn dòng. Diode là một van (valve) bán dẫn. Tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu (nắn) dòng điện xoay chiều thành một chiều. Khi nối một Diode vào giữa một nguồn điện xoay áp chiều vào phụ tải Diode sẽ dẫn dòng ở nửa chu kỳ còn lại vì phân áp ngược. Sự chuyển đổi thông = khoá của Diode là không tức thời mà cần có một thời gian nhất định. toff– thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái khoá. ton– thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông (dẫn). Chính vì vậy, nếu tần số điện áp xoay chiều quá lớn thì Diode bình thường có thể không tạo được chế độ khoá. b b a a UAC I 0 10 d. Diode đệm Diode đệm (còn gọi là Diode phóng điện, Diode hoàn năng lượng) là Diode mắc song song ngược với một phụ tải điện một chiều có tính chất cảm kháng (hình8). Diode đệm D0 có hai nhiệm vụ: - Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược và ở trạng thái khoá. Dòng điện tải được cấp từ nguồn một chiều (hình 8a). Khi ngắt nguồn (U= 0), do s.đ.đ tự cảm của của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng trong phụ tải khép kín qua Diode D0 (hình 8b). Nếu không có Diode D0, điện cảm ứng lớn sẽ đặt lên các phần tử nguồn và có thể phá hαng chúng, đánh thủng cách điện và nguy hiểm cho người. - Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải. Hình 1.8. Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh sự giảm về 0 đột ngột của dòng điện Bình thường, dòng điện phụ tải có tính chất cảm kháng do nguồn cung cấp. Khi dòng điện phụ tải giảm (đột ngột) hoặc bị ngắt rồi lại có, trong phụ tải sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng qúa độ rất lớn, dẫn đến các nguy hiểm đã nêu cho thiết bị và nguồn. Diode D0 sẽ cho dòng cảm ứng khép kín qua nó và duy trì dòng tải. Dòng cảm ứng phóng qua D0 có độ lớn tuỳ thuộc năng lượng điện từ tích luỹ trong cuộn dây phụ tải tức là tuỳ thuộc trị số độ tự cảm L nhỏ hay lớn. Cường độ dòng điện phóng giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian: = L/R Nếu >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) thì cường độ dòng điện qua tải coi như không đổi. 1.2.2. Transistor công suất a. Đặc điểm chung Transitor công suất có cấu tạo tương tự như Transitor thường với các loại như NPN hay PNP. Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor công suất thường được sử dụng như 1 khoá đóng cắt điện tử. Tiếp giáp có diện tích hàng mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục hay hàng trăm Ampe, chịu được tần số đóng cắt cao và điện áp làm việc lớn. Nó còn được gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch. Nghĩa là Transitor có hai điểm làm việc khác biệt. Hình dưới đây mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch. 11 Hình 1.9. 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 hay không dẫn. b. Đường đặc tính làm việc Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng cắt được ch như hình vẽ. Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc: đóng hoặc cắt hay dẫn hoặc ngưng dẫn. Hình 1.10 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 cực đại thu IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn thì điểm làm việc chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4. Đến đầy 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 Hình 1.10. Điểm làm việc của công tắc Transitor 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 sau là điện áp dư UCErest rất nhỏ, làm cho công suất tổn hao bé. Uout R1 R2 Uin +Us t t 12 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 2-5. d. Khuếch đại chuyển mạch với tải là 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 11 và 12 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 12 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 ngắt mạch điện, điểm làm việc của mạch chuyển dời giữa điểm làm việc A1, A2 dọc theo đường thẳng làm việc đã được điện trở thuần xác định. Trong thực tế không chỉ có các điện trở thuần mà có khi còn có 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. Hình 1.11. Mạch phân áp Hình 1.12.Đặc tuyến V-A e. Khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương ứng được mô tả trên hình 1.13 và 1.14. Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên trở tải vì nếu không sẽ không có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh. 13 Hình 1.13. Chuyển mạch công suất với tải tụ điện Hình 1.14. 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 1.15 và 1.16. Trong điểm làm việc A1, Transitor không dẫn. Không có dòng điện chạy qua Rload và Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường. Trong khoảnh khắc đóng mạch có sẵn dòng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng. Lúc đầu nó nhỏ hơn điện áp nguồn nuôi UB 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 1.13. Chuyển mạch công suất với tải điện cảm Hình 1.14. 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 UL 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). 14 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 UB. Điều này có thể dẫn tới tình trạng làm hαng 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 15 Hình 1.15. Mạch bảo vệ bằng Diode cho mạch khuếch đại chuyển mạch công suất 1.2.2.1. Transitor trường – Field effect Transistor a. Khái niệm 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 ( Bipolar Junction Transitor) loại NPN hay PNP có tổng trở đầu vào tương đối nhỏ ở cách lắp ráp thông thường kiểu E chung. Hình 1.16. 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 16 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). Đ ư ờ ng đ iệ n tử Điện trường Tinh thể bán dẫn loại N 15 Các cực của Transitor trường trong 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 1.18. Hình 1.17. Các loại Transitor trường Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109Ù, ở MOSFETs thậm chí khoảng 1015Ù) 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 Loại kênh P JFETs MOSFETs loại kênh liên tục MOSFETs loại kênh gián đoạn Hình 1.18. Ký hiệu Transitor trường 1.2.2.2. Transitor JFET (Junction FET) a. Cấu tạo, nguyên lí làm 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). Transitor trường (FETs) JFETs (PNFETs) MOSFETs (IGFETs) JFETs kênh N JFETs kênh P MOSFETs kênh đặt sẵn MOSFETs kênh cảm ứng Loại5 đặc biệt Kênh N Kênh P Kênh N Kênh P MOSFETs Cổngđôi VMOSFETs SIPMOSFETs G D S G D S G D S G D S G D S G D S 16 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 20. Hình 1.19. Mặt cắt của một JFET kênh N b. Nguyên lí hoạt động Để phân cực JFET người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS> 0 và UGS< 0 như hình vẽ (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 ID. 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: Hình 1.20. 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 19) 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 RDS 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 G D S - + + - ID UDS -UGS G D S - + + - -ID -UDS UGS -UD ID -UGS -ID UGS 17 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 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. d. Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra:  Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0  Đặt U1 ở giá 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 ở giá trị điện áp tiếp theo  Lập lại quá trình đo như trên. Hình 1.21.Đặc tuyến đầu ra của JFET chia thành 3 vùng rõ rệt 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. e. Các tham số của JFET Tham số giới hạn 18 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 = ÄUDS/ÄID, rDS thể hiện độ dốc của đường đặc tính đầu ra trong vùng bão hoà. Hỗ dẫn của đặc tính truyền dẫn S: S = ÄID/ ÄUGS cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cổng tới dòng cực máng. 1.2.2.3. 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). Hình 1.22. Cấu tạo của MOSFETs kênh liên tục 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. Mỗi loại có một kí hiệu riêng như ở hình 18. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của MOSFETs kênh liên tục. 1.2.3. Thyristor (SCR-Silicon Controlled Rectifier) a. Cấu tạo, ký hiệu - Cấu tạo: Thyristior là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 ghép lại. Tạo nên 3 cực anode A, Cathode K và Gate G Về lý thuyết có hai loại Thyristor: Thyristor kiểu N hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần anode, có ký hiệu như trên hình a: Thyristor kiểu P hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng P gần cathode, có ký hiệu như trên hình b: 19 Trong thực tế thường gặp Thyristor kiểu N Hình 1.23. a. Cấu tạo Thyristor b. Hình dáng bên ngoài Hình1.24. Ký hiệu Thyristor Về cấu trúc Thyristor được tạo nên từ một đĩa silic đơn tinh thể loại n có điện trở suất rất cao. Trên lớp đệm bán dẫn loại P có cực điều khiển bằng dây nhôm. Các chuyển tiếp được tạo nên nhờ kỹ thuật bay hơi Gali. Lớp tiếp xúc giữa anode và cathode làm bằng đĩa Molipden hay túngten có điểm nóng cgảy gần bằng Silic. Cấu tạo có dạng đĩa để dễ tản nhiệt. Để giải thích rõ sự làm việc Thyristor ta xét chi tiết các lớp bán dẫn bên trong Thyristor. Lớp cathode là bán dẫn loại dãn bình thường N rất mαng (10-100m) có mật độ điện tử rất cao,  1014cm-3, do vậy khi dòng điện thuận qua sẽ tạo nhiều điện tử ở lớp điều khiển. Lớp Cathode có dòng điện ngược lớn nhưng chỉ chịu điện áp thấp vì chiều dày bé. Lớp điều khiển là bán dẫn loại P rất mαng cỡ 10m, có mật độ điện tử trung bình, do vậy hầu hết các điện tử xuất phát từ Cathode đều tới được lớp điều khiển. Lớp chắn là lớp bán dẫn loại N dày nhất có mật độ điện tử thấp nhất, do đó có dòng điện ngược (dòng điện rò) nhỏ và chịu được điện áp ngược lớn. Lớp anode là bán dẫn loại P có chiều dày và mật độ trung bình. Lớp sát vα anode có mật độ điện tích rất cao làm gảim điện trở thuận. Lớp anode có dòng điện ngược nhỏ và chịu gần như toàn bộ điện áp ngược đặt lên Thyristor. Hình 1.25. Lớp chắn càng dày càng chịu được điện áp ngược lớn, nhưng tần số chuyển mạch sẽ giảm bởi vì điện tích tích luỹ khi dẫn sẽ nhiều hơn. Thyristor 300A, 200V có lớp Silic đường kính 30mm, dày 0, 7mm b. Sự hoạt động của Thyristor Líp Anode Líp ®iÒu khiÓn Líp Cathode Cathode Gate Anode - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - + + P P N + + + + + + + + + + + + Líp ch¾n + + + + + + + + + + + + N 20 a. Thyristor phân cực ngược b. Thyristor phân cực ngược c. Đặc tính Volt Ampe của Thyristor (Gồm 4 đoạn). - Đoạn 1: Trạng thái khoá của Thyristor. Khi u tăng đến uch (u chuyển trạng thái) bắt đầu quá trình tăng nhanh của dòng điện, Thyristor chuyển sang trạng thái mở. Hình 1.26. Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận J2, mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trên Thyristor. Đoạn 3: Trạng thái mở của Thyristor J1, J2, J3 trở thành mặt ghép dẫn điện. Đoạn 4: Thyristor bị đặt áp ngược -> Thyristor bị chọc thủng ( do u tăng nên ing cũng tăng lên). c. Các thông số cơ bản của Thyristor Các thông số cơ bản là những thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một Thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor Itb. Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải lượng nhiệt toả ra nhanh hơn. Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau: Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép đến 1/3 dòng Itb. Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng 2/3 dòng Itb. Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng đến 100% dòng Itb. Điện áp ngược cho phép lớn nhất UngMax. Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thyristor. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kì thời điểm nào điện áp giữa anốt và catốt: uAk ungMax phải được chọn ít nhất bằng 1, 2 1, 5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ. Thời gian phục hồi tính chất khoá Thyristor tr (às). Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm nên giữa anốt và catốt của Thyristor sau khi dòng anôt và catôt đã về không, trước khi lại có thể có điện áp UAk dương mà Thyristor vẫn khoá nên tr là một thông số dất quan trọng của Thyristor. d. Đặc tính điều khiển Đặc tính điều khiển cho quan hệ giữa điện áp UG theo dòng điện IG có dạng gần giống như ở Diode.   21 Đối với các Thyristor có cùng một series, do sự phân tán của các đặc trưng trong các miền P2 và N2, các đặc tính này tạo nên một miền giữa các giới hạn max và min của điện trở. Hình 1.27. Đặc tính điều khiển của Thyristor Trên đặc tính điều khiển miền gạch chéo đảm bảo Thyristor được kích mở chắc chắn. Đường nét đứt là đường giới hạn công suất điều khiển (UGM.IGM) cực đại. UGM giới hạn điện áp điều khiển cực đại IGM giới hạn dòng điện điều khiển cực đại IG dòng điện điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ UG điện áp điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ Đặc tính dòng - áp của Thyristor ở trạng thái dẫn có thể được làm gần đúng bằng đoạn thẳng: UT = UO + r.iT Khi nhiệt độ tăng thì r tăng còn UO giảm. Hệ số quá tải I2t của Thyristor được xác định giống như Diode và bằng trong đó IT là dòng quá tải cực đại. e.Các phương pháp kích mở - Kích mở bằng cầu điện trở Là phương pháp đơn giản nhất để mở một Thyristor. Sơ đồ được giới thiệu như sau: Khi đặt điện áp lên hai cực anode và catode của Thyristor, qua cầu điện trở phân áp, sẽ có một điện áp đặt lên cực cổng. Điện áp điều khiển được xác định bởi giá trị của các điện trở trong mạch. Điện trở R1 được xác định bởi biểu thức. R1 = U/k.IG. Trong đó U là điện áp nguồn, IG là dòng điện cực cổng yêu cầu. Thông thường điện trở R2 = 100-200, k = 1, 1 – 1, 2 Hình 1.28. TIT 2 2 1 22 - Kích mở bằng cầu R-C Sơ đồ kích mở bằng cầu RC được minh họa như hình vẽ. Khi đặt điện áp lên hai cực anode và cathode của Thyristor, tụ điện C được nạp thông qua biến trở VR. Khi điện áp trên tụ đủ lớn, nó sẽ phóng một xung điều khiển vào cực cổng của Thyristor làm cho Thyristor mởcho dòng điện qua tải, muốn thay đổi góc mở của Thyristor điều chỉnh biến trở VR, phương pháp này có thể thay đổi góc mở tối đa 180o điện. Hình 1.29. - Kích mở bằng cầu xoay chiều Hình 1.30. - Kích mở bằng vi mạch Các phương pháp trên có ưu điểm là mạch phát xung đơn gian nhưng tiêu thụ công suất lớn, không phù hợp cho hệ thống điều khiển tự động. Mạch kích mở bằng mạch phát xung dễ dàng điều khiển thyristor công suất lớn một cách tự động. Các mạch phát xung điều khiển sẽ được giới thiệu chi tiết ở phần sau. - Khuếch đại thuật toán - TCA780/785 f. Khoá Thyristor Khi Thyristor đã dẫn điện, muốn tắt dòng điện IA cần phải giảm dòng điện tải nhỏ hơn dòng điện duy trì IH hoặc đảo chiều điện áp đặt trên Thyristor. Khi làm việc với điện áp xoay chiều, dòng điện IA tự tắt do điện áp phân cực ngược ở nửa chu kỳ thứ hai. Khi làm việc với nguồn điện một chiều cần phải có một số phương pháp tắt dòng điện IA theo một số phương pháp được trình bày dưới đây. 23 - Cắt dòng điện IA Sử dụng một khóa cắt dòng điện đi qua Thyristor, sau đó lại đóng mạch trở lại. Đây là phương pháp đơn giản nhất đòi hαi thời gian ngắt phải lớn hơn thời gian cắt toff của Thyristor. Có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động. b, Phương pháp đảo chiều cưỡng bức Đảo chiều cưỡng bức là phương pháp làm giảm dòng điện IA nhỏ hơn dòng điện duy trì IH. Tắt dòng điện cưỡng bức được chia làm nhiều lớp. Dưới đây là một số lớp tắt dòng cưỡng bức. Lớp A Tắt dòng bằng mạch cộng hưởng dòng điện. Sơ đồ như sau: T Lp Cp Rp T Lp Cp Rp Hình 1.31. Khi cho xung điều khiển đặt vào cực cổng để Thyristor dẫn dòng, nếu mạch LC thαa mãn điều kiện cộng hưởng, dòng điện IA sẽ dao động. Nếu IAmin< IH Thyristor sẽ tắt dòng Lớp B Tắt dòng bằng mạch cộng hưởng LC. Sơ đồ minh họa như sau: T L C Z Hình 1.32. Khi chưa có xung điều khiển, tụ điện C được nạp theo chiều như hình vẽ. Khi có xung điều khiển, thyristor mở, dòng điện IA gồm hai thành phần: dòng điện tải It, và dòng phóng của tụ iC. Nếu mạch đủ điều kiện cộng hưởng, dòng nạp ngược sẽ làm tắt thyristor. Lớp C Sử dụng một cặp Thyristor mang tải phụ. 24 Hình 1.33. Sơ đồ mạch gồm hai thyristor mang tải nối song song nhau, và một tụ điện nối giữa hai cathode. Giả sử ở thời điểm ban đầu T1 dẫn điện, tụ điện được nạp theo chiều như hình vẽ. Khi có xung điều khiển mở T2 tụ điện C phóng một dòng điện ngược qua T1 làm cho nó khóa lại. Tụ C lại được nạp theo chiều ngược lại sẵn sang cho chu kỳ tiếp theo. Thông thường Z1 = Z2 vì vậy T1và T2 được chọn giống nhau. Tụ C được gọi là tụ tắt dòng có điện dung được xác định theo biểu thức: C≥ 1, 44 . Lớp D: Bao gồm hai loại. Loại thứ nhất tương tự như tắt dòng lớp C nhưng một trong hai thyristor được dùng để tắt dòng có công suất nhỏ hơn nhiều lần Thyristor chính. Thông thường dòng điện qua mạch tắt dòng chỉ bằng 1/10 dòng tải. Loại thứ 2 có sơ đồ như hình vẽ hoạt động như sau: T2 được kích mở trước tụ điện C được nạp có chiều như hình vẽ. T2 sẽ tắt khi dòng nạp cho tụ nhỏ hơn dòng duy trì của T1. Khi T1 được kích mở tụ điện C sẽ phóng điện qua mạch điện cảm LC và diode DC. Nếu mạch LC đủ điều kiện dao động, tụ C sẽ nạp theo chiều ngược lại. Khi cho xung mở T2 tụ điện C sẽ phóng một dòng ngược làm T1 khóa lại. Hình 1.34. Lớp E Tắt dòng bằng một nguồn điện áp phụ. Lớp này sử dụng hai nguồn: Nguồn chính là nguồn cấp cho dòng tải và một nguồn phụ để tắt dòng thyristor. Mạch tắt dòng lớp E được cho như sau: 25 Hình 1.35. Phần tử đóng tắt nguồn phụ là một transistor. Giả sử thyristor đang dẫn điện, muốn tắt dòng ta chỉ việc cho một xung điện áp dương vào cực gốc để transistor Q mở. Nguồn áp phụ sẽ cho một dòng ngược chạy qua Thyristor làm nó khóa lại. g. Khả năng mang tải Khả năng chịu áp và dòng cũng như khả năng quá tải được xem xét tương tự như Diode. Điện thế ngược cực đại có thể lặp lại uRRM và điện thế khoá uDRM thường bằng nhau và cho biết các giá trị điện áp lớn nhất tức thời cho phép xuất hiện trên Thyristor bởi vì điện thế cực đại không lặp lại của Thyristor thường không được biết. Khả năng chịu áp của Thyristor đạt đến hàng chục kV, thông thường ở mức từ 5-7kV dòng điện trung bình đạt đến khoảng 5000A. Độ sụt áp khi dẫn điện nằm trong khoảng từ 1, 5-3V. Phần lớn các Thyristor được làm mát bằng không khí. 1.2.4. Triac (Triode Alternative Current) a. Cấu tạo và ký hiệu của Triac Hình 1.36. Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện đi theo cả hai chiều. Vì vậy định nghĩa dòng thuận hay dòng ngược đều không có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược. Việc kích dẫn Triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G. Điều kiện để Triac đóng điện là đưa xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh kiện khác là bằng không. Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng quia Triac. Triac sẽ ngắt theo quy luật như đã giải thích đối với Thyristor. 26 b. Mô tả và chức năng Việc đóng mở Triac được thực hiện nhờ một cổng duy nhất G và xung dòng kích vào cổng G có chiều bất kỳ. Bởi vì Triac dẫn điện cả hai chiều nên chỉ có hai trạng thái, trạng thái dẫn và trạng thái khoá. Mặc dù vậy có thể định nghĩa Triac có chiều thuận và chiều nghịch. c. Đặc tính V-A Đặc tính V-A của Triac tương tự như của Thyristor do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều đặc tính của Triac có dạng đối xứng qua tâm toạ độ. Cần nói thêm về đặc tính cổng điều khiển. Việc kích Triac có thể chia ra làm các trường hợp: - Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT2T1> 0 - Mở bằng xung điều khiển UGT1 0 - Mở bằng xung điều khiển UGT1 0 - Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT1T2> 0 Hình 1.37. Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tuỳ ý, nhưng thực tế việc kích thuận lợi hơn khi dòng kích dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòng qua triac âm. d. Các tính chất động Việc đóng: thời gian đóng tgt nhanh nhất ở trường hợp a, chậm nhất ở trường hợp c. Tốc độ tăng của dòng dẫn bị giới hạn bởi:Si = (diV/dt)max Việc ngắt: Thời gian ngắt được tính từ lúc giảm dòng điện theo một hướng về không đến khi có thể đặt điện áp khóa cùng chiều đó lên triac. Nếu ta ngắt dòng dẫn của triac trong một chiều nào đó, điện thế khóa ở chiều ngược lại tăng lên ở cuối quá trình chuyển mạch với tốc độ lớn có thể gây ra việc đóng ngoài ý muốn. Vì vậy tốc độ tăng của điện thế khóa khi chuyển mạch bị giới hạn bởi giá trị:Si = (diV/dt)max e. Khả năng chịu tải a. Định mức điện áp: Xác định theo điện áp khoá cực đại có thể lặp lại. nó bằng nhau cho cả hai hướng uDRM = uRRM. Điện áp cực đại không lặp lại không được biết. b. Định mức dòng điện 27 Xác định theo giá trị hiệu dụng lớn nhất của dòng dẫn iVM. Thường được định nghĩa cho dòng hình sin đối với nhiệt độ cho trước và chế độ làm mát cho trước. Các thông số cơ bản của Triac BCR5AS (Mitsubishi) V DRM 600A Điện áp khóa lặp lại cực đại- repetitive peak off-state voltage I TRMS 5A Trị hiệu dụng dòng điện dẫn- RMS on-state current I FGT , I RGT 30mA Dòng điện kích V DSM 720V Điện áp khóa không lặp lại cực đại- non-repetitive peak off-state voltage I TSM 50A Dòng điện đỉnh không lặp lại cực đại qua linh kiện dạng sin- surge on-state current V GM 10V Điện áp kích cực đại – peak gate voltage I GM 2A Dòng điện kích cực đại- peak gate current V TM Max. 1, 8V Điện áp trên Triac khi dẫn điện- on state voltage V FGT , V RGT Max. 1, 5V Điện áp kíchcổng I FGT , I RGT Max. 30mA Dong điện kích cổng (dV/dt) crit 5V/ sμ Độ tăng điện áp khóa – critical-rate of rise off-state commutating voltage (di T /dt) crit 100A/ sμ Độ tăng dòng điện qua linh kiện cực đại-Critical rate of rise of on-state current 1.2.5. GTO (GATE TURN-OFF Thyristor) a. Cấu trúc và ký hiệu của GTO Thyristor khoá bằng cực điều khiển GTO là Thyristor có cấu trúc đặc biệt để cực điều khiển G có thể thực hiện đồng thời hai chức năng kích mở và kích ngắt. Để thực hiện được cả hai chức năng mở và ngắt, GTO có cấu trúc đặc biệt như sau: Lớp N2 hay lớp Cathode rất mαng và kích tạp cao. Lớp P2 hay lớp điều khiển cũng tương đối mαng và kích tạp cao cùng với N2 hình thành chuyển tiếp JK. Lớp N1 hay lớp khoá tương đối dày và kích tạp thấp. Chiều dày của nó phụ thuộc điện áp thuận khi khoá. Cùng với J2 tạo nên chuyển tiếp JC. Lớp P1 được thực hiện bằng việc khuếch tán trong N1, có cùng tính chất như P2. Lớp P1 cùng với N1 tạo nên chuyển tiếp JA. Điểm đặc biệt của GTO là lớp N2 được thực hiện bằng công nghệ khắc ở vị trí tiếp xúc với cực điều khiển G, tạo thành cathode dạng các phân đoạn xếp thành các vòng tròn đồng tâm. Ký hiệu của GTO cho trên hình vẽ: 28 Hình 1.38. Cấu trúc và kí hiệu của GTO Trên phiến silic, các đoạn cathode có chiều rộng từ 50 đến 500m, số lượng phụ thuộc vào dòng điện của linh kiện, có thể hàng trăm đoạn. Các đoạn này được bố trí vòng quanh Cathode và được nối với nhau bằng một tấm Cathode ghép chặt lên mặt phiến. Cần đảm bảo tốt tiếp xúc giữa một trong các phiến của lớp N2 và tấm Cathode. Ta có thể coi GTO như tạo nên bởi nhiều GTO nhỏ mắc song song. Đặc tính V-A Hình 1.39. Đặc tính V-A thực tế và lý tưởng 1.2.6. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor) a. Cấu trúc và ký hiệu của IGBT Cấu trúc bán dẫn IGBT chỉ khác MOSFET ở chỗ giữa Emiter (tương tự với cực gốc) và Collector(tương tự với cực máng) là cấu trúc bán dẫn n - p - n, chứ không phải là n - n. Có thể coi IGBT tương đương với một p - n - p transistor với dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET. Ký hiệu của IGBT như hình 1.15. Hình 1.40. Kí hiệu và cấu tạo IGBT 29 b. Nguyên lí làm việc của IGBT IGBT là loại bóng bán dẫn kết hợp hai ưu điểm của transistor bipolar và MOSFET chịu được dòng lớn ( như loại bipolar) và điều khiển bằng áp ( như MOSFET). Linh kiện bán dẫn này là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịutải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng bằng điện áp, do đó công suất yêu cầu sẽ cực nhỏ.Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE> 0 kênh dẫn với các hạt mang điện là điện tử được hình thành giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía colector vượt qua lớp tiếp giáp n- p, như ở cấu trúc giữa bazơ và colector ở transistor thường, tạo nên dòng colector. Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn so với transistor thường. Trễ khi mở khoảng 0, 15 s như đối với MOSFET, trễ khi khoá khoảng 1s như ở transistor thường. Công suất yêu cầu để điều khiển IGBT rất nhỏ. Dạng của tín hiệu điều khiển thường là+15V khi mở và - 15V để khoá lại như được thể hiện trên hình 1.16.Mạch điều khiển IGBT về nguyên tắc không khác gì so với các mạch điều khiển MOSFET. 1.2.7. IGTC (Integrated Gate Commutated Thyristor) a. Cấu tạo và chức năng Sự cải tiến công nghệ chế tạo GTO Thyristor đã dẫn đến phát minh công nghệ IGTC. GCT (Gate-Commutated Thyristor) là một dạng phát triển của GTO với khả năng kéo xung dòng điện lớn bằng dòng định mức dẫn qua Cathode về mạch cổng trong 1s để đảm bảo ngắt nhanh dòng điện. Cấu trúc của GCT và mạch tương đương của nó giống như của GTO. IGCT là linh kiện gồm GCT và có thêm một số phần tử hỗ trợ, bao gồm cả board mạch điều khiển và đôI khi có thêm cả diode ngược. Để kích đóng GCT xung dòng điện được đưa vào cổng kích làm đóng GCT tương tự như trường hợp GTO Để kích ngắt IGCT, mối nối pn base-emitter được phân cực ngược bằng cách cung cấp điện áp nguồn một chiều. Điều này làm triệt tiêu dòng điện qua Cathode vì toàn bộ dòng điện đi qua Cathode sẽ được đẩy sang mạch cổng với tốc độ rất nhanh và biến GCT trở thành một transistor pnp. Để có thể tạo ra dòng điện qua mạch cổng tăng nhanh và đủ lớn GCT được chế tạo đặc biệt để giảm cảm kháng mạch cổng đến giá trị nhỏ nhất. Vấn đề mấu chốt của GCT là tạo khả năng tăng nhanh dòng điện qua cổng. Điều này đạt được bằng ống dẫn điện đồng trục qua mạch cổng cathode và công nghệ mạch điều khiển nhiều lớp. Chúng cho phép dòng cổng tăng nhanh với tốc độ 4kA/s khi điện thế cổng cathode ở mức 20V. Trong thời gian 1s, Transistor npn của GTO bị ngắt hoàn toàn và cực cổng của transistor pnp còn lại bị mở làm GCT bị ngắt. Do việc thực hiện bằng xung dòng rất ngắn nên công suất tổn hao mạch cổng được giảm đến mức tối thiểu. Công suất tiêu thụ của GCT giảm đi khoảng 5 lần so với trường hợp GTO. 30 Lớp p phía anode được làm mαng và làm giàu hạt mang điện chút ít để cho phép khử các hạt mang điện phía anode nhanh hơn trong thời gian ngắt. IGCT có thể tích hợp diode ngược bằng mối nối nnp được vẽ bên phải của H. Diode ngược cần thiết trong cấu tạo của các bộ nghịch lưu áp. Quá trình ngắtdòng điện của GCT bởi tác dụng xung dòng kích cổng được minh hoạ trên hình.. Để có thể so sánh với quá trình ngắt dòng của GTO, đồthị của dòng cổng được vẽ cho cả hai trường hợp. 1.2.8. MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR) a. Cấu tạo và chức năng MCT có cấu tạo kết hợp công nghệ của Thyristor với ưu điểm tổn hao dẫn điện thấp và khả năng chịu áp cao của MOSFET với khả năng đóng ngắt nhanh. Hình 1.41. Hình vẽ 1.40. Mô tả cấu trúc cắt ngang của một MCT, trong đó MOSFET được tích hợp trong cấu trúc của SCR để thực hiện điều khiển quá trình đóng nắgt linh kiện này. MCT được điều khiển qua cổng MOS. Trong công nghiệp thường xuất hiện các MCT loại p. Ký hiệu và đặc tính của MCT mô tả như trên hình Để kích dẫn MCT, xung điện áp âm được đưa vào giữa cổng G-A. Điều này dẫn đến việc đóng On-FET (p-FET) trong khi đó cổng off-FET (n-FET) vẫn bị khoá và kích thích lớp cổng đệm Emitter của transistor npn Q1. Transistor Q1 và Q2 sau đó chuyển sang trạng thái dẫn điện. Hình 1.42. 31 Để ngắt MCT, điện áp cổng G-A chuyển sang giá trị dương. Điều này làm Off-FET Q4 dẫn điện và làm nối tắt mạch Emitter-lớp đệm của Transistor Q2 vì thế bị tắt làm MCT bị ngắt. MCT đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện (như GTO) và thấp hơn cả IGBT. Phương pháp điều khiển dùng xung điện áp (như MOSFET, IGBT). Mạch điều khiển đơn giản hơn so với GTO. Vì thế, MCT đang dần trở thành linh kiện điều khiển ngắt lý tưởng cho các tải có yêu cầu độ sụt áp thấp, tổn hao thấp và đóng ngắt nhanh. Khả năng dẫn dòng điện của MCT thấp hơn so với GTO b. Khả năng chịu tải MCT được áp dụng cho các trường hợp yêu cầu điện trở và độ tự cảm nhỏ với khả năng chịu được gai dòng điện lớn và tốc độ tăng trưởng dòng điện cao. MCT có khả năng chịu được độ tăng dòng điện lên tới 1.400kA/us và gái trị dòng đỉnh 14kA, tính quy đổi trên một đơn vị diện tích là 40kA/cm2 đối với xung dòng điện. Các MCT được chế tạo dưới dạng tích hợp từ 4-6 linh kiện trở lên MCT được sử dụng làm thiết bị phóng nạp điện cho máy bay, xe ôtô, tàu thuỷ, nguồn cung cấp, tivi. MCT cũng được sử dụng làm công tắc chuyển mạch mềm (soft switching) trong các mạc dao động cộng hưởng. Khả năng chịu di/dt cao và gai dòng lớn mở ra hướng phát triển dùng MCT chế tạo các máy cắt với ưu điểm gọc nhẹ, gái thành hạ và đáp ứng nhanh so với các máy cắt bán dẫn hiện tại. MCT tích hợ còn được sử dụng trong các hệ truyền động máy kéo trong giao thông vận tải. 1.2.9. MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR) a. Cấu tạo và chức năng Linh kiện MTO Thyristor được phát triển bởi hãng SPCO (Silicon Power Coperation) trên cơ sơ công nghệ GTO và MOSFET. Chúng khắc phục các nhược điểm của GTO liên quan đến công suất mạch kích, mạch bảo vệ và các hạn chế của tham số du/dt. Không giống như IGBT tích hợp cấu trúc MOS phủ lên toàn bộ tiết diện bán dẫn, MTO đặt MOSFET trên phiến silicon. 32 Hình 1.43. Các linh kiện có cấu trúc tương tự thyristor như MTO và GTO thường được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu công suất lớn nhờ ở khả năng hoạt động như một công tắc hai trạng thái lý tưởng có tổn hao thấp ở cả hai trạng thái “on” và “off”. Cấu trúc MTO gồm bốn lớp và hai cổng điều khiển: một kích đóng và một kích ngắt. Tại hai cổng này lớp kim loại được ghép trên lớp p. MTO được kích đóng bằng xung dòng điện trong khoảng thời gian 5-10s vào cổng turn on G1, tương tự như khi kích GTO. Xung dòng này sẽ cung cấp dòng điện vào lớp đệm của Transistor n-p-n Q1 mà dòng qua collector của nó sẽ cung cấp dòng đệm cho transitor n-p- n Q2 và quá trình tái sinh diễn ra sau đó tạo thành trạng thái dẫn điện của MTO. Để ngắt dòng điện qua MTO, cần đưa một xung điện áp khoảng 15V vào cổng “off” G2 tương tự như ngắt MCT. Xung điện áp trên sẽ làm cấu trúc mạch FET dẫn điện, làm nối tắt, mạch emitter và cổng kích transistor n-p-n Q1. Do đó làm giảm khẳ năng dẫn lớp emitter và lớp đệm của transistor Q1 và quá trình tái sinh sẽ dừng lại. So với trường hợp GTO phải sử dụng xung dòng âm rất lớn để dập tắt quá trình tái sinh của Transistor Q1, quá trình ngắt dòng của MTO diễn ra nhanh hơn nhiều (1-2s so với 10-20s). MTO tắt dòng với thời gian phục hồi ngắn hơn nhiều so với GTO, do đó tổn hao tương ứng là gần như được loại bα và đáp ứng nhanh hơn so với GTO Những ưu điểm trên làm giảm giá thành chế tạo và tăng độ tin cậy khi hoạt động. b. Khả năng chịu tải MTO thích hợp cho các truyền động công suất lớn, điện áp cao (>3kV cho đến 10kV), dòng điện > 4000A, độ sụt áp thấp (thấp hơn nhiều so với IGBT) và cho công suất trong phạm vi từ 1 MVA đến 20MVA do khả năng điều khiển đơn giản và chịu được áp khoá lớn. MTO có thể được sử dụng trong các thiết bị điều chỉnh công suất trong hệ thống điện (FACTS Controller) làm việc trên nguyên lý PWM. Các nguồn điện dự phòng công suất lớn (UPS) cũng là một hướng áp dụng của MTO. Khả năng điều khiển cắt nhanh và dễ dàng của MTO làm cho nó có thể ứng dụng thuận lợi làm các thiết bị cắt dòng điện DC và dòng điện AC. 1.2.10. ETO (EMITTER TURN OFF THYRISTOR) Giống như MTO, ETO được phát triển trên cơ sở kết hợp các công nghệ của GTO và MOSFET. ETO được phát minh bởi trung tâm Điện tử công suất Virgina hợp tác với hãng SPCO. Ký hiệu ETO và mạch tương đương của nó được vẽ trên hình p n+ n p n+ A KG turn on turn off G turn off K turn on A G Q2 Q1 A K G turn on turn off 33 Hình 1.44. Linh kiện MOSFET T1 mắc nối tiếp với GTO và linh kiện MOSFET T2 mắc nối tắt giữa cổng kích của GTO và linh kiện MOSFET T1. Thực tế T1 bao gồm một số n-MOSFET và T2 bao gồm một số p-MOSFET, chúng được thiết kế bao quanh GTO để giảm tối đa cảm kháng giữa các linh kiện MOSFET và cổng Cathode của GTO. ETO có hai cổng điều khiển: một cổng của riêng GTO được sử dụng để đóng nó và cổng thứ hai là cổng kích vào cổng MOSFET nối tiếp để ngắt ETO. Khi áp đặt một điện thế để kích ngắt ETO lên cổng n-MOSFET, n-MOSFET bị tắt và nó đẩy toàn bộ dòng điện đang dẫn qua mạch cathode (lớp emitter n của transistor n-p-n trong cấu tạo GTO) sang mạch cổng kích của ETO với sự hỗ trợ của MOSFET T2. Do đó quá trình tái sinh trong linh kiện kết thúc làm linh kiện bị ngắt. Bảng so sánh khả năng hoạt động của các linh kiện IGBT, GCT, ETO IGBT Mitshubishi CM1200HA -66H GCT Mitsubishi FGC4000 BX-90DS ETO4060 (Toshiba GTO) SG4000JX 26 ETO1045 (Westcode GTO) WG10045S Điện áp khóa 3300V 4500V 6000V 4500V Điện áp hoạt động 1750VDC 3000VDC 3600VDC 3000VDC Dòng điện hoạt động 2400A 4000A 4000A 1500A Độ sụt áp khi dẫn 6.5/2400 4.0/4000 5.0/4000 4.6/1500 125 0 C Độ sụt áp khi dẫn 4.1/800 2.6/1200 3.2/1200 2.6/500 125 0 C Thời gian ngắt 10 3 7 7 Công suất mạch kích 1 179 35 10 500Hz Điểm thuận lợi do cấu trúc chứa MOSFET nối tiếp mang lại là nó tạo điều kiện để chuyển dòng điện từ cathode sang mạch cổng thực hiện hoàn toàn và nhanh chóng, cho phép ngắt đồng thời tất cả các cathode trong cấu hình linh kiện. Điểm không thuận lợi là linh kiện nối tiếp này phải dẫn tàon bộ dòng điện qua Cathode của GTO vì thế làm tăng thêm độ sụt áp và tổn hao. Tuy nhiên, các MOSFET này có điện áp thấp khi dẫn (0, 3-0, 5V) nên các hệ quả trên không quan trọng. ETO về cơ bản gồm GTO có trang bị thêm linh kiện phụ dạng MOSFET, nó giúp ngắt GTO nhanh, vì vậy giảm đáng kể tổn hao mạch cổng. Với đặc điểm như vậy chi phí mạch điều khiển và mạch bảo vệ giảm đáng kể, đồng thời nâng cao khả năng công suất của GTO. 34 1.2.11. Khả năng hoạt động của các linh kiện Khả năng hoạt động của các linh kiện bán dẫn công suất được so sánh theo hai khía cạnh công suất mang tải và tốc độ đóng ngắt được minh họa trên hình và . Dựa theo số liệu tra cứu năm 98-99 của hang EUPEC Hình 1.45. Linh kiện GTO công suất lớn được sản xuất với khả năng chịu được điện áp và dòng điện từ 2, 5kV/6kA. GTO còn được chế tạo chứa diode ngược với tổn hao thấp, khả năng chịu điện áp/dòng điện của nó đạt đến 4, 5kV/3kA. Linh kiện GCT được chế tạo gần đây có khả năng chịu được điện áp/dòng điện 6kV/6kA với khả năng chuyển mạch gần như toàn bộ dòng điện sang mạch cổng khi kích ngắt, cảm kháng mạch cổng có thể giảm đến 1/100 so với loại GTO thông thường, cho phép tốc độ tăng dòng điện cổng khi ngắt đến diG/dt = 6000A/us. Thời gian tích trữ giảm còn khoảng 1/10 so với của GTO. Các tính chất cho phép GTC rất thuận tiện khi mắc song song hoặc nối tiếp và khả năng điều khiển đóng ngắt công suất lớn ngay cả khi không sử dụng mạch bảo vệ. Các diode cho nhu cầu thông thường được chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay đổi từ 400V đến 12kV và dòng điện từ 1000A đến 5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh dòng đạt đến 800-1700A và điện áp 2800- 6000V. Các thyristor cho nhu cầu thông thường được chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay đổi từ 400-12kV và dòng đạt từ 1000A đến 5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh khả năng dòng đạt đến 800-1500A và điện áp 1200-1500V. Các linh kiện IGBT dang module được chế tạo với khả năng chịu được điện áp/dòng điện 1, 7-3, 3kV/400-1200A. Khả năng chịu điện ápcao của IGBT gần đây đã đạt đên 6kV. Các linh kiện chế tạo dưới dạng module tạo thuận lợi cho việc lắp đặt, kết nối mạch và làm giảm kích thước, trọng lượng của hệ thống công suất. 35 Chương 2. CHỈNH LƯU DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 2.1.PHÂN BIỆT SƠ ĐỒ MẠCH CHỈNH LƯU, LUẬT ĐÓNG MỞ VAN 2.1.1. Phân biệt sơ đồ mạch chỉnh lưu a. Mạch chỉnh lưu hình tia Hình 2.1 là các sơ đồ chỉnh lưu hình tia tổng quát. Hình 2.1a là sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối K chung, còn hình 2.1b là sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối A chung. Trong các sơ đồ này: u1, u2, .. um, là hệ thống điện áp xoay chiều (thường là hình sin) m pha. T1, T2, .. Tm, là các van chỉnh lưu điều khiển Thyristor, trong các sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển thì các van là Diode. Rd, Ld, Ed là điện trở, điện cảm, sđđ phụ tải một chiều. ud, id là điện áp và dòng điện chỉnh lưu tức thời trên phụ tải một chiều, chiều quy ước của id lấy trùng với chiều thực của dòng qua tải, còn chiềuquy ước của ud lấy trungf với dòng quy ước của dòng tải id. Điểm O là điểm trung tính của nguồn xoay chiều. Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu hình tia m pha là: Số van chỉnh lưu bằng số pha của nguồn xoay chiều. Các van có số điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn xoay chiều. Nếu điện cực nối chung là Katốt thì sơ đồ được gọi là Katốt chung, còn nếu điện cực nối chung là Anốt ta có sơ đồ nối Anốt chung. Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính, trung tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu. b. Mạch chỉnh lưu hình cầu Hình 2.2 là các sơ đồ chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu. Hình 2.2a là sơ đồ tổng quát với số pha m >= 3. Hình 2.2b là sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha. Các phần tử trên các sơ đồ: u1, u2, .. um, là hệ thống điện áp xoay chiều ( thường là hình sin) m pha. 36 T1, T2, .. Tm, là các van chỉnh lưu điều khiển Thyristor, trong các sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển thì các van là Diode. Rd, Ld, Ed là điện trở, điện cảm, sđđ phụ tải một chiều. ud, id là điện áp và dòng điện chỉnh lưu tức thời trên phụ tải một chiều, chiều quy ớc của id lấy trùng với chiều thực của dòng qua tải, còn chiều quy ước của ud lấy trùng với dòng quy ước của dòng tải id. Điểm O là điểm trung tính của nguồn xoay chiều. Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu cầu m pha là: Số van chỉnh lưu bằng 2 lần số pha của nguồn xoay chiều, trong đó có m van có Katốt nối chung được gọi là nhóm van Katốt nối chung và trên sơ đồ ta kí hiệu bởi chỉ số lẻ, m van còn lại có anốt nối chung nên gọi là nhóm van anốt chung và trên sơ đồ ta kí hiệu bằng chỉ số chẵn. Mỗi pha nguồn xoay chiều nối với hai van, một ở nhóm A chung và một ở nhóm K chung. Điểm nối chung của các van nối K chung và nối A chung là 2 điện cực của điện áp ra. 2.1.2. Nguyên lí làm việc, luật đóng mở van A. Trường hợp mạch chỉnh lưu hình tia - Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Để đơn giản cho việc nghiên cứu nguyên lí làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia trước tiên ta xét với sơ đồ không điều khiểnvà nghiên cứu loại sơ đồ các van nối K chung. Qua nghiên cứu người ta thấy rằng: ở chế độ dòng qua tải là liên tục và bα qua quá trình chuyển mạch thì ở một thời điểm bất kỳ khi bộ chỉnh lưu đang làm việc trong sơ đồ luôn có một van dẫn dòng, đó là van nối với điện áp pha dương nhất. Mặt khác như đã biết, với hệ thống điện áp xoay chiều m pha thì trong thời gian một chu kỳ nguồn mỗi pha sẽ lần lượt dương nhất trong khoảng thời gian 1/m chu kỳ, do vậy mà mỗi van trong sơ đồ sẽ dẫn dòng một khoảng bằng 1/m chu kỳ trong thời gian một chu kỳ nguồn. Ta giả thiết rằng sụt áp trên Diode hoặc Thyristor mở (dẫn dòng) băng không. Như vậy thời điểm mà điện áp trên van bằng không và có xu hướng chuyển sang dương là thời 37 điểm van (Diode) bắt đầu mở, thời điểm mà Diode trong sơ đồ chỉnh lưu bắt đầu mở được gọi là thời điểm mở tự nhiên đối với van trong sơ đồ chỉnh lưu. Thời điểm mở tự nhiên đối với van trong sơ đồ chỉnh lưu các van nối K chung chậm sau thời điểm điện áp của pha nối van bằng không và bắt đầu chuyển sang dương một góc độ điện bằng ỉ0, với ỉ0 được xác định như sau:ỉ0= ð/2 – ð/m Mỗi Diode trong sơ đồ bắt đầu mở tại thời điểm mở tự nhiên và sẽ khoá lại tại thời điểm mở tự nhiên của van tiếp theo. Điện áp chỉnh lưu sẽ lặp lại m lần giống nhau trong một chu kỳ nguồn xoay chiều. Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anốt chung, khi sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tụcvà bα qua chuyển mạch thì tại một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ có một van mắc với pha có điện áp âm nhất dẫn dòng. Thời điểm mở tự nhiên đối với các van trong sơ đồ này chậm sau thời điểm điện áp của pha mắc với van bằng không và chuyển sang âm một góc độ điện cũng bằng ỉ0. - Trường hợp chỉnh lưu có điều khiển Trong trường hợp này các van chỉnh lưu là các Thyristor. Như đã biết để chuyển Thyristor từ trạng thái khoá sang trạng thái mở cần phải có đủ hai điều kiện: Điện áp giữa A và K phải dương (thuận) Có tín hiệu điều khiển đặt vào cực G Do đặc điểm vừa nêu trên mà trong sơ đồ này ta có thể điều khiển được thơì điểm mở của các van trong một giới hạn nhất định. Cụ thể là: Trong khoảng thời gian có điều kiện mở thứ nhất là có điện áp thuận (từ thời điểm mở tự nhiên đối với van cho đến sau thời điểm này một nửa chu kỳ), ta cần mở van ở thời điểm nào thì ta truyền tín hiệuđiều khiển đến van ở thời điểm đó và điều nay được thực hiện với tất cả các van trong sơ đồ. Như vậy nếu ta truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm sau thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện là α thì tất cả các van trong sơ đồ sẽ mở chậm so với thời điểm mở tự nhiên n một góc độ điện là α và đường cong điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều sẽ khác so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển (các van mở tại thời điểm mở tự nhiên đối với van) do vậy giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ thay đổi. Mặt khác khi thay đổi giá trị của góc mở α thì giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu cũng thay đổi. Vậy ta có thể thay đổi thành phần một chiều của điện áp trên tải nhờ thay đổi vào thời điểm mở van, tức là thay đổi giá trị góc α, Trong sơ đồ chỉnh lưu thì giá trị góc mở chậm của van α được gọi là góc điều khiển của sơ đồ chỉnh lưu. Từ các điều kiện mở của van nêu trên ta thấy rằng muốn van mở được khi có tín hiệu điều khiển thì thời điểm truyền tín hiệu đến van phải nằm trong khoảng điện áp trên van là thuận, có nghĩa rằng 1800> α > 00. Trường hợp sơ đồ làm việc với α = 00 tương đương với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển. Sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anốt chung cũng hòan toàn tương tự, chỉ khác là thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ này xác định khác với sơ đồ các van nối K chung. 38 B. Trường hợp sơ đồ hình cầu - Trường hợp sơ đồ không điều khiển Từ kết cấu của sơ đồ chỉnh lưu ta có nhận xét: Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất hai van cùng dẫn dòng, một van ở nhóm K chung và van còn lại ở nhóm A chung. Vậy với giả thiết là sơ đồ làm ở chế độ dòng liên tụcvà bα qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có hai van dẫn dòng: một van ở nhóm K chung nối với pha đang có điện áp dương nhất và một pha ở nhóm A chung nối với pha đang có điện áp âm nhất. Thời điểm mở tự nhiên đối với các van nối K chung xác định như các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha với các van nối anốt chung. Còn thời điểm mở tự nhiên đối với các van nhóm A chung thì xác định như đối với các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha các van nối anốt chung. Với đặc điểm làm việc của sơ đồ chỉnh lưu cầu người ta nhận thấy rằng: Trong một chu kỳ nguồn xoay chiều, mỗi van cũng dẫn dòng một khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ như ở sơ đồ hình tia, sự chuyển mạch dòng từ van này sang van khác chỉ diễn ra với các van trong cùng một nhóm và độc lập với nhóm van kia; trong một chu kỳ nguồn xoay chiều điện áp chỉnh lưu lặp lại q lần giống nhau, với q = 2 khi m lẻ và q = m khi m chẵn. - Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển Sơ đồ chỉnh lưu cầu, để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều người ta cũng thực hiện việc điều khiển cho các van trong sơ đồ mở chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện bằng α nhờ sử dụng tín hiệu điều khiển giống như ở sơ đồ hình tia giới hạn thay đổi lớn nhất của góc điều khiển α là từ 0o đến 180o.  Dòng và áp trên phụ tải một chiều Tải R Tải R + L Tải R + L + E  Chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển  Quá trình chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu  Chỉnh lưu điều khiển làm việc với Diode không  Ảnh hưởng của chỉnh lưu điều khiển đến lưới điện xoay chiều 39 2.2.CHỈNH LƯU HÌNH TIA 2.2.1. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha không và có điều khiển a. Chỉnh lưu tia một pha một nửa chu kỳ Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, cuộn cảm tải Ld = , điện áp phía thứ cấp u2 = U2 sin t. Trong khoảng t = 0 đến v1, có u2 > 0, và uT> 0, tuy nhiên T vẫn chưa dẫn, do chưa ó xung điều khiển mở. Khi đó ta có: uT1 = u2; uD0 = 0; utải = 0; iD0 = iT = itải= 0. Đến thời điểm t = v1, phát xung điều khiển mở van T, lúc này T có đủ hai điều kiện kích mở nên dẫn điện. Ta có: uT = 0; uD0 =-u2; utải= u2> 0; iD0 = 0; iT = itải. Đến thời điểm t = , u2 = 0 và có xu hướng âm. Lúc này van T bị phân cực ngược nên khoá và, - u2 = 0 và có xu hướng dương dần, kết hợp sđđ do cuộn cảm tạo ra làm van D0 dẫn điện. Như vậy trong khoảng t =  đến 2, ta có: uT = u2< 0; utải = 0; itải= iD0; iT = 0. Đến thời điểm t= 2, u2 = 0 và có xu hướng dương dần, van T được đặt điện áp thuận tuy nhiên van T vẵn chưa dẫn, do chưa có xung điều khiển kích mở, còn D0 vẫn dẫn do sđđ ở cuộn cảm tải tạo ra. Như vậy trong khoảng t= 2 đến 2 + , ta có: uT = u2 > 0; utải = uD0; itải = iD 0; iT = 0. Đến thời điểm t = 2 + , phát xung điều khiển mở van T, lúc này T dẫn điện, còn D0 khoá. Ta có: uT = 0; utải = u2> 0; uD0= -u2; iT= itải; iD0= 0. Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự. Điện áp trung bình trên tải: Utải= U2 sin t d t= 0, 225.U2.(1+cos ) Dòng điện trung bình qua Thyristor: IT = Itải d t =  2           2 1    2    2 1       2. ) ( It 40 Điện áp thuận, điện áp ngược trên T và D0: uT(thuận)= uT(ngược)= uD(thuận)= uD(ngược) = U2 b. Mạch chỉnh lưu một pha hình tia hai nửa chu kỳ Giả sử Ld= , điện áp phía sau thứ cấp u21= - u22= U2 sin t, sụt áp trên Thyristor là không Volt, xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập. Trước thời điểm v1 thì van T2 đang dẫn điện. Khi đó ta có: uT1= u21- u22 0; uT2= 0; utải = u22; iT2= itải; iT1= 0. Đến thời điểm v1: t = , phát xung điều khiển kích mở van T1, lúc này van T1 vừa được phân cực thuận vừa có xung kích mở nên van T1 sẽ dẫn điện, còn van T2 bị phân cực ngược nên không dẫn điện. Ta có: uT1= 0; uT2= u22- u21 0; utải = u21> 0 ; iT1= itải; iT2= 0. Đến thời điểm t = , thì u21= 0 và có xu hướng âm, còn u22 = 0 và có xu hướng dương. Lúc này T2 dần dần được phân cực thuận, tuy nhiên T2 vẫn chưa dẫn do chưa có xung điều khiển, còn T1 dần dần bị phân cực ngược, tuy nhiên T1 vẫn dẫn điện, do sđđ của cuộn cảm tải tạo ra. Ta có các biểu thức sau: uT2= u22- u21; uT1= 0; utải = u21< 0 ; iT1= itải; iT2= 0. Đến thời điểm t= + , phát xung điều khiển kích mở van T2, lúc này van T2 sẽ dẫn điện, còn van T1 bị phân cực ngược nên sẽ khoá ngay, khi đó ta có: uT2= 0; uT1= u21- u22< 0; utải = u22 > 0; iT2 = itải; iT1= 0. Đến thời điểm t = 2, thì u21= 0 và có xu hướng dương dần, còn u22 = 0 và có xu hướng âm dần. Lúc này T1 dần dần được phân cực thuận, tuy nhiên T1 vẫn chưa dẫn do chưa ó xung điều khiển, còn T2 dần dần bị phân cực ngược, tuy nhiên T2 vẫn dẫn điện, do sđđ của cuộn cảm tải tạo ra. Ta có: uT2= 0; uT1= u21- u22; utải = u22< 0 ; iT2= itải; iT1= 0. Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự. 2  2          41 Điện áp trung bình trên tải: Utải= 2. U2 sin t d t = Trị số trung bình của dòng điện qua Thyristor:IT = Itải d t = Itải/2. 2.2.2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không và có điều khiển u T1 T2 T3 u L R i uA uB uc iA iC iB a ub uc Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía thứ cấp lần lượt là:ua= U2sin t(V), ub= U2sin( t-120 o)(V), uc= U2sin( t-240 o)(V). coi rằng điện áp sụt trên Thyristor khi chúng dẫn điện là không Volt. Giả sử trước thời điểm t = v1, thì van T3 đang dẫn điện uT1= uac> 0, tuy nhiên T1 chưa dẫn điện, do chưa có xung điều khiển kích mở. Ta có: uT2 = ubc ; uT3 = 0; utải = uc; itải = iT3; iT1= iT2= 0. Đến thời điểm t = v1, phát xung điều khiển mở van T1, lúc này van T1 phân cực thuận và có xung điều khiển kích mở nên dẫn điện, còn van T2 và van T3 phân cực ngược nên không dẫn điện. Ta có: uT1= 0; uT2= uba 0; itải = iT1; iT2 = iT3 = 0. Đến thời điểm t = , thì ua = 0 và có xu hướng âm dần, tuy nhiên sđđ tự cảm của cuộn cảm tải tạo ra làm cho van T1 tiếp tục dẫn, còn van T2 và T3 chưa dẫn điện. Ta có: uT1= 0; uT2= uba > 0; uT3 = uca< 0; utải = ua< 0; itải = iT1; iT2 = iT3 = 0. .2 1    2     cos.2.2.2 U .2 1     2  2  2     42 Đến thời điểm t = v2, phát xung điều khiển mở van T2, lúc này van T2 sẽ dẫn điện do có xung điều khiển kích mở và được phân cực thuận. Còn hai van T1 và T3 sẽ không dẫn điện. Ta có: uT2= 0; uT1= uab; uT3 = ucb; utải = ub > 0; itải = ib; iT2 = iT3 = 0. Đến thời điểm t = , thì ub = 0 và có xu hướng âm dần, tuy nhiên sđđ tự cảm của cuộn cảm tải tạo ra làm cho van T2 tiếp tục dẫn, còn van T1 và T3 không dẫn điện. Ta có: uT2 = 0; uT1 = uab; uT3 = ucb; utải = ub< 0; itải = ib; iT2 = iT3 = 0. Đến thời điểm t = + , phát xung điều khiển mở van T3, lúc này van T3 sẽ dẫn điện do có xung điều khiển kích mở và được phân cực thuận. Còn hai van T1 và T2 sẽ không dẫn điện. Ta có: uT3 = 0; uT1= uac; uT2 = ubc; utải = uc > 0; itải = iT3; iT1 = iT2 = 0. Đến thời điểm t= thì uc= 0 và có xu hướng âm dần, theo lập luận trên ta có van T3 tiếp tục dẫn điện còn hai van T1 và T2 không dẫn điện. Ta có:uT3 = 0; uT1= uac; uT2 = ubc; utải = uc< 0; itải = iT3; iT1 = iT2= 0. Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự. Điện áp trung bình trên tải U tải= . U2sin t d t = 3. .U2 Dòng điện trung bình qua Thyristor: IT = . Itải d t = Id/ 3 Điện áp thuận, điện áp ngược trên Thyristor:uT(thuận) = uT(ngược) = U2 2.3. MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 2.3.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không và có điều khiển Giả sử Ld = , điện áp phía thứ cấp u2 = U2 sin t, góc điều khiển . Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập. Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng không. Trước thời điểm t= v1, cặp van T2 và T3 dẫn điện, khi đó ta có: uT2 = uT3 = 0; utải = - u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải; iT1 = iT4 = 0. Đến thời điểm t = v1, phát xung điều khiển mở cặp van T1 và T4, lúc này cặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, còn cặp van T2 và T3 bị phân cực ngược nên không dẫn điện. Khi đó ta có:uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = - u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0.   6 .10   6 .9   6 .14 .2 1        6 .5 6 2   6   .2 cos .2 1        5 .5 6  6  2     u1 u2 u R L d i 1 i2 d d id 43 Đến thời điểm t = , u2 = 0 và có xu hướng âm dần, còn - u2 = 0 và có xu hướng dương dần, tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫn dòng của dòng điện qua tải, cho nên sđđ tự cảm do cuộn cảmLd tạo ra làm cho cặp van T1 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T2 và T3 chưa dẫn do chưa có xung điều khiển kích mở. Lúc này ta có: uT1= uT4= 0; utải = u2 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3= 0. Đến thời điểm t =+ , phát xung điều khiển mở cặp van T2 vàT3. Lúc này cặp van T2 và T3 sẽ dẫn điện, còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nên không dẫn điện. Ta có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0. Đến thời điểm t =2, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2= 0 và có xu hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn điện, do sđđ của cuộn cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện, còn cặp van T1 và T4 chưa dẫn điện, do chưa có xung điều khiển tác động kích mở. Ta có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0. Các chu kỳ sau nguyên lý hoạy động tương tự. Điện áp trung bình trên tải: Utải = 2. U2 sin t d t = 0, 9 U2 cos : Dòng điện trung bình qua Thyristor: IT = Itải d t = Itải/ 2. Điện áp thuận, điện áp ngược trên Thyristor: uT(thuận) = uT(ngược) = U2.     2 1    2        2 44 2.3.2. Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không và có điều khiển Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía thứ cấp lần lượt là ua = U2sin t; ub = U2sin( t- ); uc = U2sin( t- ), khi các van dẫn thì sụt áp trên các van bằng không Volt. Giả sử trước thời điểm t = , thì cặp van T3 và T5 đang dẫn điện. Đến thời điểm t = + , phát xung điều khiển kích mở van T1, lúc này van T1 được đặt điện áp thuận, và có xung điều khiển kích mở nên dẫn điện. Trong khoảng t = + đến 3. thì ua> uc> ub, như vậy trong khoảng thời gian này cặp van T1 và T5 sẽ dẫn điện. Khi đó ta có: uT1= uT5 = 0; utải = uab; uT2= uba; uT3 = uca; uT4 = uba ; uT6 = ubc; iT1= iT5 = itải; iT2 = iT3 = iT4= iT6 = 0. 2  2  3 .2 2  3 .4  6   6    6   6  45 Đến thời điểm 3. thì ub = uc, và ub có xu hướng dương hơn uc, như vậy van T6 dần dần được phân cực thuận, tuy nhiên van T6 vẫn chưa dẫn điện do chưa có xung kích mở, còn van T5 vẫn tiếp tục dẫn điện do sđđ tự cảm của cuộn cảm tải tạo ra. Như vậy trong khoảng thời gian t = 3. đến 3. + thì cặp van T1 và T5 vẫn dẫn điện. Ta sẽ có: uT1= uT5 = 0; utải = uab; uT2= uba; uT3 = uca; uT4 = uba ; uT6 = ubc; iT1= iT5 = itải; iT2 = iT3 = iT4= iT6 = 0 Đến thời điểm t = 3. + , phát xung điều khiển kích mở van T6. Van T6 lúc này sẽ dẫn điện. Như vậy trong khoảng t = 3. + đến 5. thì cặp van T1 và T6 sẽ dẫn điện. Ta có: uT1= uT6 = 0; utải = uac; uT2 = uba; uT3 = uca; uT4 = uca ; uT5 = ucb; iT1= iT6= itải; iT2 = iT3 = iT4= iT5 = 0. Đến thời điểm t = 5. thì ua = ub, và ub có xu hướng dương hơn ua, như vậy van T2 dần dần được phân cực thuận, tuy nhiên van T2 chưa dẫn điện, do chưa có xung điều khiển kích mở. Còn van T1 vẫn tiếp tục dẫn điện, do sđđ tự cảm của cuộn cảm tải tạo ra. Ta vẫn có: uT1= uT6 = 0; utải = uac; uT2 = uba; uT3 = uca; uT4 = uca ; uT5 = ucb; iT1= iT6= itải; iT2 = iT3 = iT4= iT5 = 0. Đến thời điểm t = 5. + , phát xung điều khiển kích mở van T2, lúc này van T2 sẽ dẫn điện. Trong khoảng t = 5. + đến 7. có ub> ua> uc, như vậy cặp van T2và T6 sẽ dẫn điện. Ta có: uT2= uT6 = 0; utải = ubc; uT1= uab; uT3 = ucb; uT4 = uca ; uT5 = ucb;iT2= iT6= itải; iT1 = iT3 = iT4= iT5 = 0. Đến thời điểm t = 7 thì ua = uc và uc có xu hướng dương hơn ua, còn ua có xu hướng âm hơn uc, như vậy van T4 dần dần được đặt điện áp thuận, tuy nhiên van T4 vẫn chưa dẫn điện. Như vậy trong khoảng t = 7 đến 7 + thì cặp van T2 và T6 vẫn dẫn điện, ta vẫn có: uT2= uT6 = 0; utải = ubc; uT1= uab; uT3 = ucb; uT4 = uca ; uT5 = ucb; iT2= iT6 = itải; iT1 = iT3 = iT4= iT5 = 0. Đến thời điểm t = 7 + , phát xung điều khiển kích mở van T4, lúc này van T4 được phân cực thuận và có xung điều khiển kích mở nên dẫn điện. Trong khoảng t = 7 + đến 9 thì ub> uc> ua, như vậy trong khoảng thời gian này cặp van T2 và T4 sẽ dẫn điện. Ta sẽ có: uT2= uT4 = 0; utải = uba; uT1= uab; uT3 = ucb; uT5 = uab ; uT6 = uac; iT2= iT4= itải; iT1 = iT3 = iT5 = iT6 = 0. 6   6  6    6    6   6   6   6    6   6   6   6  6    6    6   6  46 Đến thời điểm t = 9. thì ub = uc và uc có xu hướng dương hơn ub, còn ub có xu hướng âm hơn uc, như vậy van T3 dần dần được đặt điện áp thuận, tuy nhiên van T3 vẫn chưa dẫn điện, còn van T2 sẽ tiếp tục dẫn điện do sđđ tự cảm của cuộn cảm tải tạo ra. Như vậy trong khoảng t = 9 đến 9 + thì cặp van T2 và T4 vẫn dẫn điện, ta vẫn có: uT2= uT4 = 0; utải = uba; uT1= uab; uT3 = ucb; uT5 = uab; uT6 = uac; iT2= iT4= itải; iT1 = iT3 = iT5 = iT6 = 0. Đến thời điểm t = 9 + , phát xung điều khiển kích mở van T3, lúc này van T3 sẽ dẫn điện. Trong khoảng t = 9 + đến 11 , thì uc> ub> ua, như vậy cặp van T3 và T4 sẽ dẫn điện. Ta có: uT3= uT4 = 0; utải = uca; uT1= uac; uT2 = ubc; uT5 = uab ; uT6 = uac; iT3= iT4= itải; iT1 = iT2 = iT5= iT6 = 0. Đến thời điểm t =11 thì ua = ub tuy nhiên ua có xu hương dương dần, còn ub có xu hướng âm dần, như vậy van T5 dần được phân cực thuận, tuy nhiên van T5 vẫn chưa dẫn điện, do chưa có xung điều khiển. Còn van T4 vẫn tiếp tục dẫn điện. Như vậy trong khoảng t = 11 đến 11 + thì cặp van T3 và T4 vẫn dẫn điện. Như vậy ta vẫn có:uT3= uT4 = 0; utải = uca; uT1= uac; uT2 = ubc; uT5 = uab ; uT6 = uac. iT3= iT4= itải; iT1 = iT2 = iT5 = iT6 = 0. Đến thời điểm t =11 + , phát xung điều khiển kích mở van T5, lúc này van T5 sẽ dẫn điện. Trong khoảng t =11. + đến 13 , thì uc> ua> ub, như vậy cặp van T3 và T5 sẽ dẫn điện. Như vậy ta có:uT3= uT5 = 0; utải = ucb; uT1 = uac; uT2 = ubc; uT4 = uba ; uT6 = ubc; iT3= iT5 = itải; iT1 = iT2 = iT4= iT6 = 0. Đến thời điểm t = 13 thì ua = uc, và ua có xu hướng dương hơn uc, như vậy van T1 dần được phân cực thuận, tuy nhiên van T1 vẫn chưa dẫn điện do chưa có xung điều khiển, còn van T3 vẫn tiếp tục dẫn điện, như vậy trong khoảng t =13 đến 13 + , thì cặp van T3 và T5 tiếp tục dẫn điện. Ta có: uT3 = uT5 = 0; utải = ucb; uT1= uac; uT2 = ubc; uT4 = uba; uT6 = ubc; iT3= iT5= itải; iT1 = iT2 = iT4 = iT6 = 0. Đến thời điểm t =13. + , phát xung điều khiển kích mở van T1, lúc này van T1 sẽ dẫn điện. Trong khoảng t =13. + đến 15. , thì ua> uc> ub, như vậy cặp van T1 và T5 sẽ dẫn điện. Như vậy ta có: uT1= uT5 = 0; utải = uab; uT2= uba; uT3 = uca; uT4 = uba ; uT6 = ubc; iT1= iT5= itải; iT2 = iT3 = iT4= iT6 = 0. Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự.  6   6  6    6    6   6   6   6  6    6    6   6   6   6  6    6    6   6  47 Điện áp trung bình trên tải: Utải= 6. U2sin( t+ ) = [cos( ) - cos(2 )] Dòng trung bình qua van: Itb = Itải = Itải/3 Điện áp thuận, điện áp ngược trên van uT(thuận) = uT(ngược) = U2 2.4. CÁC MẠCH CHỈNH LƯU BÁN ĐIỀU KHIỂN 2.4.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, cuộn cảm tải Ld = , điện áp phía thứ cấp u2 = U2sin t(V), Diode dẫn điện thì sụt áp trên nó bằng không. Giả sử trước thời điểm t = v1, cặp van D1vàD2 đang dẫn điện. Đến thời điểm v1, phát xung điều khiển mở van T1, lúc này T1 có đủ hai điều kiện để mở van (đó là uT1 > 0 và có xung điều khiển kích mở), cho nên van T1 dẫn điện. Khi đó cặp van T1 và D2 dẫn điện, còn .2 1        6 .3 6 6  6   2.6.3 U    3    3 .2 1        6 .3 6 6  2   48 hai van T2 và D1 không dẫn điện.Ta có: uT1= uD2 = 0; uT2= uD1= -u2 0; iT1 = iD2 = itải; iT2 = iD1 = 0. Đến thời điểm t = , thì u2= 0 và có xu hướng âm dần, còn - u2 = 0 và có xu hướng dương dần, tuy nhiên T2 vẫn chưa dẫn điện do chưa có xung điều khiển kích mở, còn sđđ do cuộn cảm tải tạo ra làm cho van D1 tiếp tục dẫn điện. Lúc này cặp van D1 và D2 dẫn điện, ta có: uT1 = u2 0; uD1 = uD2= 0; utải = 0; iD1 = iD2 = itải ; iT1 = iT2= 0. Đến thời điểm v2 t = + , phát xung điều khiển mở van T2, lúc này T2 có đủ hai điều kiện để mở van (đó là uT2> 0 và có xung điều khiển kích mở), cho nên van T2 dẫn điện. Khi đó cặp van T2 và D1 dẫn điện, còn hai van T1 và D2 không dẫn điện.Ta có: uD1= uT2 = 0; uT1= uD2 = u2< 0; utải = -u2; iD1= iT2 = itải; iT1= iD2 = 0. Đến thời điểm t = 2, thì - u2 = 0 và có xu hướng âm dần, còn u2 = 0 và có xu hướng dương dần, tuy nhiên T1 vẫn chưa dẫn điện do chưa có xung điều khiển kích mở, còn sđđ do cuộn cảm tải tạo ra làm cho van D2 tiếp tục dẫn điện. Lúc này cặp van D1 và D2 dẫn điện, ta có: uT1 = u2> 0; uT2 = - u2< 0; uD1= uD2= 0; utải = 0; iD1= iD2 = itải ; iT1= iT2= 0. Đến thời điểm t = 2+ , phát xung điều khiển mở van T1, lúc này T1 có đủ hai điều kiện để mở van (đó là uT1> 0 và có xung điều khiển kích mở), cho nên van T1 dẫn điện. Khi đó cặp van T1 và D2 dẫn điện, khi đó ta có: uT1= uD2 = 0; uT2 = uD1= - u2; utải = u2; iT1= iD2 = itải; iT2= iD1 = 0. Chu kỳ sau, nguyên lý hoạt động tương tự. Điện áp trung bình trên tải: Utải =2. U2 sin ( t) d t = U2 . Điện áp thuận, điện áp ngược đặt trên Diode, Thyristor: uD(thuận)= uD(ngược) = U2.uT(thuận)= uT(ngược) = U2. 2.4.2. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía thứ cấp lần lượt là: ua = U2sin t; ub = U2sin( t- ); uc = U2sin( t- ), khi các van dẫn thì sụt áp trên các van bằng không Volt.       2 1    2   2   cos1 2 2 2  2  3 .2 2  3 .4 49 Trong khoảng t = đến 3. thì ua > uc> ub. Lúc này van T1 được phân cực thuận, tuy nhiên van T1 vẫn chưa dẫn do chưa có xung điều khiển. Còn van D2 ở trạng thái chờ dẫn. Đến thời điểm t = + , phát xung điều khiển mở van T1, lúc này van T1 có đủ hai điều kiện uAK> 0, và có xung kích mở, nên van T1 sẽ dẫn điện. Như vậy trong khoảng t = + đến 3. thì cặp van T1 và D2 dẫn điện. Khi đó ta có: uT1 = uD2 = 0; utải = uab; uT2 = uba; uT3 = uca; uD1 = uba; uD3 = ubc; iT1= iD2= itải; iT2= iT3= iD1= iD3= 0. Trong khoảng t =3. đến 5. thì ua > ub> uc, lúc này van T1 vẫn được đặt điện áp dương nhất, nên vẫn ở trạng thái dẫn. Còn van D3 được đặt điện áp thuận nên dẫn điện ngay. Như vậy trong khoảng 3. đến 5. , ta có: uT1= uD3 = 0; utải = uac; uT2 = uba; uT3 = uca; uD1 = uca; uD2 = ucb; iT1= iD3 = itải; iT2= iT3 = iD1 = iD2= 0. Đến thời điểm t =5. thì ub= ua, tuy nhiên ub có xu hướng dương hơn ua, như vậy van T2 được phân cực thuận, nhưng van T2 vẫn chưa dẫn điện ngay do chưa có xung điều khiển. Còn van T1 vẫn tiếp tục dẫn do sđđ của cuộn cảm tạo ra để duy trì dòng qua tải. Khi đó ta có: uT1= uD3 = 0; utải = uac; uT2 = uba; uT3 = uca; uD1= uca; uD2 = ucb; iT1= iD3= itải; iT2= iT3= iD1= iD2= 0. Đến thời điểm t=5. + , phát xung điều khiển kích mở van T2 , van T2 lúc này có đủ hai điều kiện mở van, nên dẫn điện. Như vậy trong khoảng t=5 + đến 7 với ub > ua> uc thì cặp van T2 và D3 sẽ dẫn điện, ta có: uT2= uD3 = 0; utải = ubc; uT1 = uab; uT3 = ucb; uD1 = uca; uD2 = ucb; iT2= iD3 = itải; iT1= iT3 = iD1 = iD2 = 0. Đến thời điểm t=7 đến 9 thì ub > uc> ua, van T2 vẫn được đặt điện áp dương nhất, nên vẫn dẫn điện. Còn van D1khi chịu điện áp thuận nên dẫn điện ngay. Khi đó ta có: uT2= uD1= 0; utải = uba; uT1 = uab; uT3 = ucb; uD2= uab; uD3 = uac; iT2= iD1= itải; iT1 = iT3 = iD2 = iD3 = 0. Đến thời điểm t=9. , thì ub= uc, tuy nhiên uc có xu hướng dương hơn ub, như vậy van T3 được phân cực thuận, nhưng van T3 vẫn chưa dẫn do chưa có xung điều khiển. Còn van T2 vẫn tiếp tục dẫn do sđđ của cuộn cảm tạo ra để duy trì dòng qua tải. Khi đó ta có: uT2= uD1= 0; utải = uba; uT1 = uab; uT3 = ucb; uD2= uab; uD3 = uac; iT2= iD1= itải; iT1= iT3= iD2= iD3= 0.  6  6   6    6   6   6  6  6  6   6   6    6   6   6  6   6  50 Đến thời điểm t=9. + , phát xung điều khiển kích mở van T3, van T3 lúc này có đủ hai điều kiện mở van, nên dẫn điện. Như vậy trong khoảng t=9. + đến 11. với uc > ub> ua thì cặp van T3 và D1 sẽ dẫn điện, ta có: uT3 = uD1= 0; utải = uca; uT1 = uac; uT2 = ubc; uD2= uab; uD3 = uac; iT3 = iD1 = itải; iT1 = iT2 = iD2 = iD3 = 0. Trong khoảng t= 11. đến 13. thì uc > ua> ub, van T3 vẫn được đặt điện áp dương nhất nên vẫn dẫn điện. Còn van D1 bị phân cực ngược nên khoá ngay, van D2 được phân cực thuận nên dẫn điện ngay. Khi đó ta có: uT3= uD2= 0; utải = ucb; uT1 = uac; uT2 = ubc; uD1= uba; uD3 = ubc; iT3= iD2= itải; iT1= iT2= iD1= iD3= 0. Đến thời điểm t= 13. , thì ua= uc, nhưng ua có xu hướng dương hơn uc, van T1 dần dần được phân cực thuận, tuy nhiên van T1 vẫn chưa dẫn điện, do chưa có xung điều khiển. Còn van T3 vẫn tiếp tục dẫn điện, do sđđ của cuộn cảm tải tạo ra để duy trì dòng qua tải, như vậy cặp van T3 và D2 vẫn tiếp tục dẫn điện. Ta có: uT3 = uD2 = 0; utải = ucb; uT1 = uac; uT2 = ubc; uD1 = uba; uD3 = ubc; iT3 = iD2 = itải; iT1 = iT2 = iD1 = iD3 = 0. Đến thời điểm t= 13. + , phát xung kích mở van T1, lúc này cặp van T1 và D2 dẫn điện. Khi đó ta có: uT1= uD2= 0; utải = uab; uT2 = uba; uT3 = uca; uD1 = uba; uD3 = ubc; iT1= iD2 = itải; iT2 = iT3 = iD1= iD3= 0. Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự. Điện áp trung bình trên tải: Utải = 3.[ U2sin( t+ ) d t +. U2sin( t- ) d t]= U2[ cos( ) – cos( ) +1]. Dòng điện trung bình qua các van: IT = d t = ; ID = d t = Điện áp thuận, điện áp ngược đặt trên Diode: uD(thuận) = uD(ngược) = uT(thuận) = uT(ngược) = U2.  6    6   6   6  6   6   6     6 .3 6 6 .2 1     6       6 .5 6 .3 6 .2 1  6   .2 6.3    3 .    3 2 .2 1        6 .5 6 It  3 It .2 1  6 .7 6 .3   It  3 It 6 51 Chương 3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG Trong truyền động điên một chiều như giao thông đường sắt, ôtô điện, cầu trục cũng như việc điều chỉnh cho các động cơ điện 1 chiều với các mục đích khác nhau, người ta thường sử dụng các phương pháp điều chỉnh điện áp vàdòng điện trung bình bằng phương pháp đóng cắt tự động. Tuỳ thuộc vào thời gian đóng và thời gian cắt khác nhau trong 1 chu kỳ T mà ta có điện áp vàdòng điện trung bình trên tải là khác nhau. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp và dạng điện áp vàdòng điện được mô tả như