Bài
giảng
ĐIỆN
TỬ
CÔNG NGHIỆP
Hình 1.8. Đặc tính Vôn-Ampe của
Thyristor
i
A
Iv
IG3
IG2
IG1
Idt
Dòng dò
Ung, max
Uthmax
Chương 1
CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN
I.1 THYRISTOR
Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n:
J1, J2, J3. Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực điều khiển (G – Gate) như
được biểu diễn trên hình 1.1.
I.1.1 Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor
Đặc tính Vôn-Ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 1.2). Phần thứ nhất nằm
trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0;
phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với
trường hợp: UAK < 0.
a) Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển
Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa
Anode-Cathode. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp
J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai
diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ
chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max sẽ
xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống
như ở đoạn đặc tính ngược của diode, lúc này nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới
mức Ung.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyristor đã bị
hỏng.
Khi tăng điện áp Anode-Cathode theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có
một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch Anode-
Cathode vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực
Hình 1.7. Thyristor
Cấu trúc bán dẫn; Ký hiệu; Hình ảnh thực tế
ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, sẽ xảy ra
hiện tượng điện trở tương đương mạch Anode-Cathode đột ngột giảm, dòng điện chạy
qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua
Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó Thyristor
sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính
chất dẫn dòng và phụ thuộc vào giá trị của phụ tải nhưng điện áp rơi trên Anode-
Cathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện.
b) Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0)
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển (G) và Cathode, quá trình chuyển
điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, có Uth < Uth.max. Điều này
được mô tả trên hình 1.2 bằng những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển
khác nhau IG1, IG2, IG3,... Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc
tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.
Trong thực tế đối với mỗi loại Thyristor sẽ được chế tạo bởi một dòng điều
khiển định mức Iđk đm.
I.1.2 Mở - khoá Thyristor
Thyristor chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ Anode đến Cathode, và
không được chạy theo chiều ngược lại. Điều kiện để Thyristor có thể dẫn dòng, ngoài
điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn phải thỏa mãn điều kiện là điện áp điều khiển
dương. Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển.
a) Mở Thyristor
Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ
nhất, có thể tăng điện áp Anode-Cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn
nhất, Uth.max, điện trở tương đương trong mạch Anode-Cathode sẽ giảm đột ngột và
dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trên thực
tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn.
Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng
điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và Cathode. Xung dòng điện điều
khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức
điện áp Anode-Cathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua Anode-Cathode lớn hơn một giá trị
nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn
dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điểu khiển. Điều này nghĩa là có thể
điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó
công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà
Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
b) Khoá Thyristor
Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch
Anode-Cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm về không. Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở
trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp Anode-Cathode lại dương (
0
AK
U
),
cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất
cản trở dòng điện của Thyristor.
Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận,
các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực
ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để khóa
Thyristor lại cần giảm dòng Anode-Cathode về không bằng cách hoặc là đổi chiều
dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa Anode và Cathode của Thyristor. Sau
khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên Anode-Cathode (
0
AK
U
)
trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian khóa (ký hiệu là:
r
t
), lúc này
Thyristor sẽ khóa. Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa
Cathode và Anode. Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của
Thyristor. Thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian
phục hồi
r
t
có giá trị cỡ 5 ÷ 10s đối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50 ÷ 200s đối
với các Thyristor tần số thấp.
I.1.3 Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor
Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và Cathode với dòng đi vào cực điều khiển
xác định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor. Với cùng một loại Thyristor
nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển (ví dụ như hình 1.3) trên đó có thể
thấy được các đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhất ứng với một nhiệt độ
môi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để chắc chắn mở được
một Thyristor. Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển và Cathode
cũng làm phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về
công suất. Công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào độ rộng của xung
điều khiển. Tín hiệu điều khiển là một
xung có độ rộng càng ngắn thì công suất
cho phép có thể càng lớn.
Sơ đồ tiêu biểu của một mạch
khuếch đại xung điều khiển Thyristor
được cho trên hình 1.4. Khóa Transistor T
được điều khiển bởi một xung có độ rộng
nhất định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp
biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến
cực điều khiển của Thyristor ở phía bên
cuộn thứ cấp. Như vậy mạch lực được
cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển
bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế dòng qua Transistor và xác định nội trở của
nguồn tín hiệu điều khiển. Diode D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp xung khi
Transistor T khóa lại để chống quá áp trên T. Diode D2 ngăn xung âm vào cực điều
khiển. Diode D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác
dụng giảm quá áp trên tiếp giáp G-K khi Thyristor bị phân cực ngược.
Hình 1.3. Yêu cầu đối với xung
điểu khiển của Thyristor
Giới hạn dòng nhỏ nhất
Giới hạn công suất xung
Vùng mở
chắc chắn
0,01ms
0,1ms
Giới hạn điện áp nhỏ nhất
G
0
00C
-100C
UGK
I.1.4 Các thông số cơ bản của
Thyristor
Các thông số cơ bản là các thông số
dựa vào đó ta có thể lựa chọn một
Thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào
đó.
1/- Giá trị dòng trung bình cho phép
chạy qua Thyristor, Iv
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 điện cho phép chạy qua
Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor
có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra,
Thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải
nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần
sau, ta có thể lựa chọn dòng điện theo các phương án sau:
Làm mát tự nhiên: dòng sử
dụng cho phép đến một phần ba
dòng Iv.
Làm mát cưỡng bức bằng
quạt gió: dòng sử dụng bằng hai
phần ba dòng Iv.
Làm mát cưỡng bức bằng
nước: có thể sử dụng 100% dòng
Iv.
2/- Điện áp ngược cho phép lớn
nhất, Ung.max
Đây là giá trị điện áp ngược lớn
nhất cho phép đặt lên Thyristor.
Tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa Anode-Cathode
AK
U
luôn nhỏ hơn. Để đảm bảo
một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5
lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó.
3/- Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor, tr (
s)
Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa Anode-Cathode của Thyristor
sau khi dòng Anode-Cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương
mà Thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của
Thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng
thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần tr.
4/- Tốc độ tăng điện áp cho phép,
dU
dt
(V/
s)
Hình 1.4. Sơ đồ tiêu biểu mạch khuếch đại
xung điều khiển tiristo
*
*
BAX
G
K
D2
uđkT
D1
D3
RB
Tr2
C
W1
W2
+Un
on
off
Hình 1.4. Sơ đồ tiêu biểu mạch khuếch đại
xung điều khiển tiristo
*
*
BAX
G
K
D2
uđkT
D1
D3
RB
Tr2
C
W1
W2
+Un
on
off