Điện tử công suất 1
1.6 – THYRISTOR (SCR- SILICON CONTROLLED RECTIFIER)


Mô tả và chức năng
Thyristor gồm 3 lớp PN và mắc vào mạch ngoài gồm 3 cổng: điện cực anode
A, cathode C và cổng điều khiển G. Về mặt lý thuyết tồn tại cấu trúc thyristor: PNPN
và NPNP, trong thực tế người ta chỉ phát triển và sử dụng loại PNPN. Sơ đồ thay thế
thyristor bằng mạch transistor được vẽ ở hình H1.16. Giả sử anode của thyristor chòu
tác dụng của điện áp dương so với cathode (u
AK
> 0). Khi đưa vào mạch G, K của
cathode (tương ứng với mạch base- emitor của tranristor NPN) xung dòng I
G
, transistor
NPN sẽ đóng. Dòng điện dẫn tiếp tục qua mạch emitor -base của transistor PNP và
đóng nó. Các transistor sẽ tiếp tục đóng ngay cả khi dòng i
G
bò ngắt. Dòng qua
collector của một transistor cũng chính là dòng đi qua base của transistor thứ hai và
ngược lại. Các transistor vì vậy cùng nhau duy trì ở trạng thái đóng.
Các tính chất và trạng thái cơ bản:
Nếu transistor bò ngắt, thì anode có thể chòu được điện áp dương so với
cathode.- trạng thái khóa ;
hoặc điện áp âm so với cathode - trạng thái nghòch.
Hiện tượng đóng SCR tức chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện
có thể thực hiện nếu thỏa mãn cả hai điều kiện sau:
1/- Thyristor ở trạng thái khóa.
2/-có xung dòng điện kích i
G
> 0 đủ lớn.

Hiện tượng ngắt SCR : quá trình chuyển từ trạng thái dẫn điện sang không
dẫn điện (tức trạng thái nghòch hoặc trạng thái khóa). Quá trình này gồm hai giai
đoạn:
1/- Giai đoạn làm dòng thuận bò triệt tiêu: thực hiện bằng cách thay đổi điện
trở hoặc điện áp giữa anode và cathode.
2/- Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của thyristor. Sau khi dòng thuận bò
triệt tiêu, cần có một thời gian - thời gian ngắt, để chuyển thyristor vào trạng thái
khóa.


Đặc tính V-A

1-16
Điện tử công suất 1
Đặc tính V-A ngõ ra: quan hệ giữa điện áp và dòng điện đi qua hai cực
anode, cathode (xem hình H1.17). Đặc tính ngõ vào quan hệ giữa điện áp và dòng
cổng G (cổng điều khiển).
Đặc tính V-A ngõ ra gồm 3 nhánh :

- nhánh thuận (1): thyristor ở trạng thái dẫn điện. Độ sụt áp giữa anode –
cathode nhỏ không đáng kể.
- Nhánh nghòch (3): ứng với trạng thái nghòch tương tự như diode.
- Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa. Nếu dòng i
G
= 0 thì dạng nhánh
khóa tương tự như nhánh nghòch. Thay vì điện trở r
R
thì ở đây là điện trở r
D


(differential block resistance). Tương tự ta có điện áp đóng u
BO
thay vì u
BR
. Khi điện
áp đạt đến giá trò u
BO
, thyristor không bò phá hỏng mà sẽ bò đóng (chuyển từ trạng thái
khóa sang trạng thái dẫn điện). Khi i
G
thay đổi, tùy thuộc vào độ lớn của i
G
mà giá trò
của điện thế khóa thay đổi theo (điện thế khóa giảm khi i
G
tăng). Hiện tượng thyristor
dẫn điện do tác dụng điện áp vượt quá u
BO
(i
G
=0) là sự cố gây ra do quá điện áp xuất
hiện trên lưới.
Thông thường, ta đóng thyristor bằng xung dòng qua mạch G,K. Điện trở
thuận r
T
và điện áp thuận u
TO
được đònh nghóa tương tự như trường hợp của diode.
Khác với diode, các nhánh thuận của thyristor không bắt đầu từ góc zero của hệ trục
mà từ giá trò I

H
– (holding current) dòng duy trì ở trạng thái dẫn. Nếu giá trò dòng
giảm nhỏ hơn i
H
thì thyristor trở về trạng thái khóa. Ngay sau khi đóng thyristor, trước
khi dòng cổng i
G
tắt, đòi hỏi dòng thuận phải đạt đến hoặc vượt hơn giá trò dòng chốt
i
L
, i
L
> i
H
(L: Latching).

Để đóng thyristor, khoảng đầu xung dòng kích phải có trò đủ lớn. Dạng xung
dòng thường sử dụng cho cổng có dạng như hình H1.18. Do tính chất của lớp nghòch
không tốt nên không được phép để xuất hiện trên nó điện thế âm dù chỉ rất nhỏ. Khi
thyristor ở trạng thái nghòch việc kích vào cổng G sẽ làm tăng dòng nghòch một cách

1-17
Điện tử công suất 1
vô ích. Các xung điều khiển thường được truyền đến thyristor nhờ các biến áp xung.
Nhiệm vụ của nó là tách mạch công suất khỏi nguồn tạo xung kích. Khi sử dụng các
biến áp xung, cần phải giải quyết vấn đề làm tắt nhanh dòng từ hóa khi xung bò ngắt
(nếu không thì dòng từ không ngừng tăng lên sau mỗi lần đưa xung vào) và vấn đề
bảo vệ lớp cổng của thyristor trước điện áp nghòch. Để giải quyết vấn đề trên ta có
thể sử dụng dạng mạch ở hình H1.22.


Các tính chất động
Tác dụng điện áp khóa u
V
(hoặc u
D
): về bản chất đó là tác dụng điện áp
nghòch lên lớp bán dẫn (xem hình H1.19). Lúc đó, nó họat động như một tụ điện, điện
dung của nó phụ thuộc vào độ lớn điện áp đặt vào:
()
dt
d
u
.C
dt
d
C
.u
dt
u.Cd
i
V
V
V
C
+==

Theo phương trình trên, dòng i
C
đạt giá trò lớn khi
dt

d
u
V
đủ lớn (giả sử rằng C
không đổi). Bởi vì một phần đường dẫn của i
C
trùng với đường dẫn của dòng kích
cổng nên có tác dụng như đóng kích và làm đóng thyristor ngoài ý muốn. Vì thế người
ta giới hạn độ dốc của u
V
đến giá trò:
max
V
crit
dt
du
Su
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=


Việc đóng thyristor không xảy ra ngay khi xung dòng i
G

vào cổng. Thoạt tiên
dòng dẫn i
V
đi qua một phần nhỏ của tiết diện của thyristor ở chỗ nối với cổng G. Sau
đó, điện tích dẫn tăng dần lên của tiết diện phiến bán dẫn, điện áp khóa giảm dần.
Đối với các thyristor, thông thường thời gian đóng điện t
gt
ở trong khoảng 3 →10µs.
Khi dòng i
V
tăng nhanh quá, chỉ có một phần nhỏ tiết diện chung quanh mạch cổng G
dẫn điện và dẫn đến quá tải, có thể làm tăng nhiệt độ lên đến giá trò làm hỏng linh
kiện.
Vì thế độ tăng của dòng i
V
bò giới hạn đến giá trò
max
V
crit
dt
d
i
S
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=

.
Ngắt thyristor (xem hình H1.21): giai đoạn đầu diễn ra tương tự như khi ngắt
diode .
Thời gian phục hồi tính nghòch t
rr
, điện tích chuyển mạch Q
r
(lớn hơn đối với
thyristor). Sau khi phục hồi điện trở nghòch của các lớp J
1
và J
3
(xem hình H119), quá
trình ngắt vẫn chưa chấm dứt, cần có thêm một thời gian nữa để khôi phục khả năng
khóa - tức là khôi phục điện trở nghòch của lớp J
2
. Vì vậy, ta đònh nghóa thêm t
q
là thời
gian ngắt tối thiểu cần thiết mà SCR cần duy trì áp ngược để khôi phục khả năng
khóa, nó bắt đầu khi dòng điện thuận trở về zero cho đến khi điện áp khóa tác dụng
trở lại mà không làm SCR đóng lại (I
g
= 0). Nếu ta tác dụng điện áp khóa lên sớm





1-18

Điện tử công suất 1

1-19
hơn khoảng thời gian t
q
này, SCR có thể đóng ngoài ý muốn dẫu chưa có
xung kí
do quá trình chuyển
mạch, c
ch đưa vào cổng kích. Thời gian ngắt phụ thuộc vào các điều kiện lúc ngắt như
nhiệt độ chất bán dẫn, dòng bò ngắt, tốc độ giảm dòng và điện áp nghòch. Các
thyristor thường có t
q
trong khoảng từ vài µs đến hàng trăm µs.
Các hệ quả: công suất tổn hao do đóng ngắt quá điện áp
ác giới hạn S
ucrit
, S
icrit
. Quá điện áp do quá trình chuyển mạch có thể được giới
hạn bằng mạch RC. Cuộn cảm kháng bảo vệ
dt
di
V
kết hợp với mạch RC (song song
với SCR) để giới hạn độ dốc
dt
d
u
V

.
hả năng mang tải

K
dòng và khả năng quá tải được xem xét tương tự như
diode. Đ
ác thyristor đặc biệt
Khả năng chòu áp và
iện thế nghòch cực đại có thể lặp lại u
RRM
và điện thế khóa u
DRM
thường bằng
nhau và cho biết các giá trò 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
chòu áp của thyristor đạt đến hàng chục kV, thông thường ở mức 5-7 kV, dòng điện
trung bình đạt đến khoảng 5.000A. Độ sụt áp khi dẫn điện nằm trong khoảng 1,5-3V.
Phần lớn các thyristor được làm mát bằng không khí.

C
än áp lặp lại lớn nhất khoảng vài ngàn volt. Các thông
số đặc t
hơn như t
q
nhỏ,
S
ucrit
, va
g nhanh. Bằng cách tác
dụng đi

: Có thể cho đóng bình thường bằng xung kích vào cổng G, hoặc
bằng tia
Thyristor cao áp: có đie
rưng tính chất động của nó không có lợi (Q
r
, t
q
,S
ucrit
, S
icrit
).
Thyristor nhanh: các thông số cải tiến tính chất động được tốt
ø S
icrit
lớn. Khả năng chòu áp và dòng của nó thấp hơn.
Thyristor GATT: bản chất giống như thyristor đáp ứn
ện áp ngược lên mạch cổng, thời gian t
q
có thể giảm xuống còn phân nửa so
với thyristor nhanh.
Fotothyristor
sáng lên vò trí nhất đònh của vỏ chứa thyristor.
Điện tử công suất 1
Fotothyristor cách ly nguồn xung kích và mạch công suất, các dạng của nó
được vẽ trên hình H1.20. Trong đó phương án ở hình a/- sử dụng dạng vi mạch giúp
tận dụng nguồn tia sáng kích thích, phương án b/- và c/- bảo đảm cách ly tốt giữa
nguồn xung kích và mạch công suất, do đó hạn chế nhiều tác dụng của sóng nhiễu,
dạng c/- chỉ cần công suất kích của nguồn sáng không đáng kể.


Bảng B1.4 Các thông số đặc trưng của thyristor SKKT 41/12E (SEMIKRON)

V
RRM
1200V Điện áp ngược cực đại lập lại cho phép -Repetitive peak
Reverse voltage
V
DRM
1200V Điện áp khoá lập lại cực đại cho phép -Repetitive peak
off-state voltage
V
RSM
1300V Điện áp ngược cực đại không lập lại cho phép -Non-
repeative peak reverse voltage
(dV/dt)
crit
1000V/
µ
s
Độ tăng điện áp khóa cho phép
I
TRMS
75A dòng điện hiệu dụng -RMS-on-state current
I
TAV
48A dòng điện trung bình -Mean on state current
(di/dt)
crit
150A/
µ

s
Độ tăng dòng điện cho phép khi linh kiện đóng
V
T
Max. 1,95V điện áp thuận -Direct on- state voltage
V
GT
3V điện áp cổng kích -Gate trigger voltage
I
GT
150mA Dòng điện cổng kích -Gate trigger current
I
H
150mA dòng điện duy trì -Holding current-
I
L
300A dòng điện chốt -Latching current

Mạch kích thyristor
Trong các bộ biến đổi công suất dùng thyristor, thyristor và mạch tạo xung
kích vào cổng điều khiển của nó cần cách điện. Tương tự như các mạch kích cho
transistor, ta có thể sử dụng biến áp xung hoặc optron, xem hình H1.22



Mạch kích dùng biến áp xung được vẽ trên hình H1.22a. Sau khi tác dụng áp
lên mạch cổng B của transistor Q
1
. Transistor Q
1

dẫn bão hòa làm điện áp V
cc
xuất
hiện trên cuộn sơ cấp của biến áp xung và từ đó xung điện áp cảm ứng xuất hiện phía
thứ cấp biến áp. Xung tác dụng lên cổng G của thyristor. Khi khóa xung kích cho

1-20