Ở bài viết trước, chúng ta đã tìm hiểu về một linh kiện chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều, đó là diode. Bài viết hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về một loại linh kiện có chức năng tương tự nhưng có thể điều khiển được đó là SCR hay còn gọi là thyristor. Vậy SCR hay thyristor là gì? Tìm hiểu chi tiết về cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động, mạch điều khiển, đặc tính, mạch kích của thyristor (scr).
Thyristor là gì?
SCR (Silicon Controlled Rectifier – chỉnh lưu có điều khiển) hay thyristor là linh kiện điện tử bán dẫn có điều khiển, đóng vai trò như một van điện tử có điều khiển. SCR là linh kiện điện tử công suất chủ yếu và tạo nên bước phát triển nhảy vọt trong kỹ thuật điện tử công suất.
Thyristor (SCR) là gì
7 điều cần biết về SCR là gì?
1. Cấu tạo và ký hiệu
Cấu tạo của thyristor gồm 3 lớp PN và mắc vào mạch ngoài gồm 3 cổng: cực dương A, cực âm C và cổng điều khiển G. Về mặt lý thuyết tồn tại cấu trúc thyristor PNPN và NPNP, nhưng trong thực tế người ta chỉ phát triển và sử dụng loại PNPN.
Ký hiệu của SCR là một diode bán dẫn có thêm cực điều khiển G.
Cấu tạo và ký hiệu của SCR là gì
2. Nguyên lý hoạt động
Ta thấy SCR có thể coi như tương tương với hai transistor PNP và NPN liên kết với nhau qua ngõ nền và thu.
Nguyên lý hoạt động của Thyristor (SCR)
Khi đưa vào mạch G, K (tương ứng với B – E của transistor NPN) một xung dòng IG, transistor sẽ đóng. Dòng điện dẫn tiếp tục qua mạch E – B của transistor PNP và đóng nó. Các transistor sẽ tiếp tục đóng ngay cả khi dòng IG bị ngắt.
Dòng qua cực C của một transistor cũng chính là dòng đi qua cực B của transistor thứ hai và ngược lại. Các transistor vì vậy cùng nhau duy trì ở trạng thái đóng.
3. Tính chất và trạng thái cơ bản
3.1 Trạng thái cơ bản của SCR
Khi thyristor bị ngắt (không dẫn điện) thì cực A có thể chịu được điện áp dương so với cực K (tức ở trạng thái khóa), hoặc điện áp âm so với cực K (trạng thái nghịch).
– Hiện tượng đóng SCR: Quá trình chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn thỏa mãn 2 điều kiện:
+ Khi thyristor ở trạng thái khóa (UAK > 0)
+ Khi có xung dòng điện kích iG đủ lớn.
– Hiện tượng ngắt SCR: Quá trình chuyển từ trạng thái dẫn diện sang không dẫn điện (tức trạng thái nghịch hoặc trạng thái khóa). Quá trình này gồm 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa cực A và K.
+ Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của thyristor. Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu, cần có một thời gian ngắt để chuyển thyristor vào trạng thái khóa.
3.2 Đặc tính V – A của thyristor
Đặc tính V – A được biểu diễn như hình bên dưới. Gồm có 3 nhánh:
Đặc tính V – A của SCR là gì
– Nhánh thuận (1): thyristor ở trạng thái dẫn điện. Độ sụt áp giữa A-K nhỏ không đáng kể.
+ Thông thường, ta đóng thyristor bằng xung dòng qua mạch G, K. Điện trở thuận rT và điện áp thuận UTO được định nghĩa tương tự như trường hợp ở diode.
+ Khác với diode, các nhánh thuận của thyristor không bắt đầu từ góc zero của hệ trục mà từ giá trị iH (holding current) dòng duy trì ở trạng thái dẫn. Nếu giá trị dòng giảm nhỏ hơn iH thì thyristor trở về trạng thái khóa.
+ Ngay sau khi đóng thyristor, trước khi dòng cổng iG tắt, đòi hỏi dòng thuận phải đạt đến giá trị dòng chốt iL (Latching), trong đó iL > iH.
>>> Xem thêm: Diode là gì – Chi tiết về diode
– Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch.
Tương tự như diode, dòng qua thyristor chỉ là dòng ngược bão hòa có giá trị rất nhỏ. Nếu điện áp phân cực ngược đạt đến giá trị điện áp đánh thủng (UBR) thì dòng qua thyristor tăng động ngột, lớp tiếp giáp của thyristor bị đánh thủng.
Khi thyristor ở trạng thái nghịch việc kích vào cổng G sẽ làm tăng dòng nghịch một cách vô ích.
– Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa.
Nếu dòng iG = 0 thì dạng nhánh khóa tương tự như nhánh nghịch. Tương tự ta có điện áp đóng uBO thay vì điện áp đánh thủng uBR. Khi điện áp đạt đến giá trị uBO, thyristor sẽ chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện.
Khi iG thay đổi, tùy thuộc vào độ lớn iG mà giá trị của điện thế khóa thay đổi theo, điện thế khóa sẽ giảm khi iG tăng. Hiện tượng thyristor dẫn diện do tác dụng điện áp vượt quá uBO (iG = 0) là sự cố do quá điện áp xuất hiện trên điện lưới gây ra.
4. Tính chất động
Tác dụng điện áp khóa uV về bản chất đó là tác dụng điện áp nghịch lên lớp bán dẫn. Lúc đó, nó hoạt động như một tụ điện, điện dung của nó phụ thuộc vào độ lớn điện áp đặt vào.
4.1 Chuyển mạch đóng
Việc đóng Thyristor không xảy ra ngay khi xung dòng iG đi vào cổng. Thoạt tiên dòng dẫn iV 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 ở khoảng 3 – 10us.
Khi dòng dẫn tăng quá nhanh, chỉ có một phần tiết diện chung quanh mạch cổng G dẫn diện và dẫn đến quá tải. Có thể làm tăng nhiệt độ lên đến giá trị làm hỏng linh kiện.
4.2 Ngắt thyristor
Ở giai đoạn đầu việc ngắt thyristor diễn ra tương tự như khi ngắt diode.
Biểu đồ khi ngắt thyristor
Sau khi phục hồi điện trở nghịch, quá trình ngắt vẫn chưa chấm dứt, cần có thêm thời gian để khôi phục khả năng khóa. Vì vậy ta định nghĩa thêm tq là thời gian ngắt tối thiểu cần thiết mà SCR cần duy trì áp ngược để khôi phục khả năng khóa.
Thời gian ngắt tối thiểu bắt đầu từ khi dòng điện thuận trở về 0 cho đến khi điện áp khóa tác dụng trở lại mà không làm SCR đóng lại (IG = 0). Nếu ta tác dụng điện áp khóa lên sớm hơn khoảng thời gian tq, SCR có thể đóng ngoài ý muốn dù chưa có xung kích đưa vào cực cổng.
Thời gian ngắt phụ thuộc vào các điều kiện ngắt như nhiệt độ chất bán dẫn, dòng bị ngắt, tốc độ giảm dòng và điện áp nghịch. Các thyristor thường có tq trong khoảng từ vài us đến hàng trăm us.
5. Khả năng chịu tải của SCR
Khả năng chịu áp và dòng, khả năng quá tải được xem xét tương tự như diode. Điện thế nghịch cực đại lặp lại URRM và điện thế khóa 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 5 – 7 kV. Dòng điện trung bình đạt đến khoảng 5000A. Độ sụt áp khi dẫn điện nằm trong khoảng 1,5 – 3V. Phần lớn các thyristor được làm mát bằng không khí.
Bảng sau trình bày các thông số đặc trung của thyrsistor VS-30TPS16-M3
Tham khảo datasheet của thyristor VS-30TPS16-M3
6. Mạch kích scr
Trong các bộ biến đổi công suất dùng thyristor, thyristor và mạch xung kích vào cồng điều khiển của nó cần được cách điện. Tương tự như các mạch kích cho transistor, mosfet ta có thể sử dụng biến áp xung hoặc opto cách ly.
6.1 Mạch kích dùng biến áp xung
Để đóng thyristor, khoảng đầu xung dòng kích phải có giá trị đủ lớn. Do tính chất của lớp nghịch không tốt nên không được phép để xuất hiện trên nó điện thế âm dù chỉ rất nhỏ (UGK phải > 0). Trong dưới đây sử dụng hai diode để D1 và D2 ngăn dòng ngược, đảm bảo cho điện áp UGK > 0.
Mạch kích thyristor dùng biến áp xung
Sau khi tín hiệu điều khiển ở mức cao đi vào chân B của transistor Q1, làm Q1 dẫn điện và đóng vai trò như công tắc đóng. Lúc này điện áp xuất hiện đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung, từ đó điện áp cảm ứng xuất hiện phía thứ cấp biến áp. Điện áp cảm ứng này được đưa vào chân kích G của thyristor, làm thyristor dẫn điện.
Khi tín hiệu điều khiển ở mức thấp ở chân B của transistor Q1, thì transistor Q1 không dẫn điện, do đó ngưng cấp điện cho cuộn sơ cấp biến áp. Dòng qua cuộn sơ cấp biến áp xung vẫn duy trì qua cuộn sơ cấp và diode Dm. Mục đích sử dụng diode Dm để làm tắt nhanh dòng từ hóa khi xung bị ngắt, nếu không thì dòng từ không ngừng tăng lên sau mỗi lần đưa xung vào.
Việc đưa xung kích dài vào cổng G làm tăng thêm tổn hao mạch cổng, do đó người ta sử dụng tín hiệu khiển dạng chuỗi xung.
Mạch bảo vệ thyristor: Sử dụng mạch RC mắc song song với SCR để bảo vệ chống quá điện áp. Mạch có thể kết hợp với cuộn kháng bảo vệ mắc nối tiếp với SCR chống sự tăng nhanh dòng điện qua linh kiện.
6.2 Mạch kích sử dụng opto
Opto sử dụng trong mạch có thể là opto transitor hoặc opto thyristor.
Xung điều khiển dưới dạng xung kích ngắn được đưa vào Led của transistor, diode phát quang kích dẫn thyristor của opto. Từ đó làm kích dẫn thyristor công suất.
Mạch kích SCR dùng opto là gì
Mạch dùng opto đòi hỏi có nguồn DC cung cấp riêng vì thế làm tăng giá thành và kích cỡ của mạch điều khiển.
Trong nhiều trường hợp ứng dụng, mạch kích đơn giản sử dụng cấu trúc chứa diac như hinh bên dưới. Độ lớn góc kích phụ thuộc vào thời gian nạp điện tích cho tụ (xác định bằng hằng số thời gian RC) và điện áp tác dụng của diac. Mạch sử dụng trực tiếp nguồn điện công suất để làm nguồn kích. Phạm vi điều khiển góc kích bị hạn chế.
7. Một số loại SCR đặc biệt
+ Thyristor cao áp: có điện áp lặp lại lớn nhất khoảng vài ngàn volt. Các thông số đặc trưng tính chất động của nó không có lợi (Qr, tq, Sucrit, Sicrit).
+ Thyristor nhanh: các thông số cải tiến tính chất động được tốt hơn như tq nhỏ, Sucrit và Sicrit lớn. Khả năng chịu áp và dòng của nó thấp hơn
+ Thyristor GATT: bản chất giống như Thyristor đáp ứng nhanh. Bằng cách tác dụng điện áp ngược lên mạch cổng, thời gian tq có thể giảm xuống còn một nửa so với thyristor nhanh.
+ Fotothyristor: Có thể cho đóng bình thường bằng xung kích vào cổng G, hoặc bằng tia sáng lên vị trí nhất định của vỏ chứa thyristor. Fotothyristor cách ly nguồn xung kích và mạch công suất, các dạng của nó được vẽ như bình bên dưới.
Các dạng fotothyristor cách ly
Trong đó, thyristor loại a sử dụng vi mạch giúp tận dụng nguồn tia sáng kích thích. Thyristor loại b, c đảm bảo cách ly tốt nguồn xung và mạch công suất, do hạn chế nhiều tác dụng của sóng nhiễu. Dạng c chỉ cần công suất kích của nguồn sáng không đáng kể.
>>> Xem thêm
Mosfet là gì – Chi tiết nhất về mosfet
10 sơ đồ mạch chỉnh lưu có điều khiển sử dụng SCR
20 sơ đồ đáu dây contactor 3 pha cơ bản đến nâng cao
4 sơ đồ mạch khởi động sao tam giác – ưu nhược điểm
Tham khảo video rất hay Thyristor (SCR) là gì và cách sử dụng SCR trong thực tế
Tài liệu tham khảo
Điện tử công suất 1 – Nguyễn Văn Nhờ
Download giáo trình, tài liệu tham khảo tại đây