Thyristor

Thyristor hay còn gọi là chỉnh lưu silic có điều khiển là một linh kiện bán dẫn bao gồm bốn lớp bán dẫn, chẳng hạn như P-N-P-N, tạo ra ba vùng tiếp giáp P-N: J1, J2, J3.

Thyristor có ba cực chính là anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G) như thể hiện trong hình. Nó được sử dụng trong chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.

General Electric gọi Thyristor là chỉnh lưu silic có điều khiển (SCR).

Lịch sử phát triển

Vào năm 1950, thyristor được William Shockley đề xuất và được các nhà nghiên cứu như Moll tại phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ) bảo vệ. Được phát triển đầu tiên bởi các kỹ sư của General Electric (G.E) dưới sự lãnh đạo của Gordon Hall và được thương mại hóa bởi Frank W. 'Bill' Gutzwiller của General Electric vào năm 1957.

Đặc tính Volt-Ampere của thyristor

Đặc tính Volt-Ampere của thyristor bao gồm hai phần. Phần đầu tiên nằm trong góc phần tư I của đồ thị Descartes, áp dụng khi điện áp Uak > 0, và phần thứ hai nằm trong góc phần tư III, được gọi là đặc tính ngược, áp dụng khi Uak < 0.

Không có dòng điện qua cực điều khiển (iG = 0)

Khi không có dòng điện vào cực điều khiển của thyristor, hoặc khi cực điều khiển không được nối, thyristor sẽ ngăn chặn dòng điện trong cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode và cathode. Khi điện áp Uak < 0, cấu trúc bán dẫn của thyristor làm cho hai tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược, trong khi lớp tiếp giáp J2 bị phân cực thuận, khiến thyristor hoạt động giống như hai diode nối tiếp phân cực ngược. Lúc này, chỉ có một dòng điện rất nhỏ, gọi là dòng rò, chạy qua thyristor. Khi Uak tăng đến một giá trị nhất định, thyristor có thể bị đánh thủng và dòng điện có thể tăng lên rất cao. Quá trình đánh thủng này giống như đặc tính ngược của diode, và khi đã xảy ra, thyristor sẽ không thể phục hồi, tức là nó đã bị hỏng.

Khi điện áp anode-cathode được tăng lên theo chiều thuận (Uak > 0), lúc đầu chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò, và điện trở tương đương giữa anode và cathode vẫn rất lớn. Khi tiếp giáp J1 và J3 phân cực thuận, còn J2 phân cực ngược, điện trở tương đương mạch anode-cathode giảm đột ngột khi Uak đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất. Dòng điện có thể chạy qua thyristor và giá trị của nó chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ngoài mạch. Nếu dòng điện qua thyristor vượt quá giá trị dòng tối thiểu cần thiết để duy trì, gọi là dòng duy trì (Idt), thì thyristor sẽ dẫn điện giống như đường đặc tính thuận của diode.

Có dòng điện vào cực điều khiển (iG > 0)

Nếu có dòng điều khiển được cấp vào giữa cực điều khiển và cathode, điểm chuyển đặc tính trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giá trị lớn nhất. Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn, điểm chuyển đặc tính sẽ xuất hiện khi Uak còn thấp hơn.

Khởi động và ngắt thyristor

Kích hoạt thyristor

Khi thyristor được phân cực thuận với Uak > 0, có hai phương pháp để mở thyristor. Phương pháp đầu tiên là tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max. Khi đó, điện trở trong mạch anode-cathode giảm đột ngột, và dòng điện qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết định. Phương pháp này thường không được sử dụng trong thực tế vì có thể gây ra sự mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng đạt được Uth,max. Hơn nữa, thyristor có thể tự mở do các xung điện áp ngẫu nhiên.

Phương pháp thứ hai, thường được áp dụng trong thực tế, là cung cấp một xung dòng điện với giá trị nhất định vào giữa các cực điều khiển và cathode. Xung dòng điện điều khiển sẽ làm thay đổi trạng thái của thyristor từ trạng thái trở kháng cao sang trở kháng thấp ở điện áp anode-cathode thấp. Khi đó, nếu dòng điện qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất định gọi là dòng duy trì (Idt), thyristor sẽ tiếp tục dẫn dòng mà không cần xung điều khiển nữa. Phương pháp này cho phép điều khiển thyristor bằng các xung điều khiển có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể nhỏ hơn nhiều so với công suất của mạch chính mà thyristor điều khiển.

Các thông số cơ bản

Giá trị dòng điện trung bình tối đa cho phép qua thyristor Iv,tb

Đây là giá trị dòng điện trung bình tối đa mà thyristor có thể chịu đựng, với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn không vượt quá giới hạn cho phép. Trong thực tế, dòng điện tối đa cho phép còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và môi trường xung quanh. Có thể sử dụng làm mát tự nhiên, nhưng hiệu quả không cao; do đó, để đáp ứng yêu cầu cao hơn, thường sử dụng làm mát cưỡng bức bằng quạt gió hoặc nước, tuy nhiên điều này có thể làm tăng kích thước thiết bị, thường áp dụng cho các thiết bị công suất lớn. Dưới đây là lựa chọn dòng điện dựa trên điều kiện làm mát:

• Làm mát tự nhiên: dòng điện tối đa cho phép là một phần ba giá trị dòng tối đa Iv,tb.
• Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng điện tối đa cho phép là hai phần ba giá trị dòng tối đa Iv,tb.
• Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng đến 100% giá trị dòng tối đa Iv,tb.

Điện áp ngược tối đa cho phép Ung,max

Đây là giá trị điện áp ngược tối đa mà thyristor có thể chịu đựng. Trong các ứng dụng, cần đảm bảo rằng điện áp giữa anode và cathode Uak không vượt quá Ung,max tại bất kỳ thời điểm nào. Ngoài ra, cần phải có một khoảng dự trữ về điện áp, tức là Ung,max nên được chọn ít nhất là 1,2 - 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ.

Thời gian phục hồi trạng thái khóa của thyristor τ(μs)

Đây là khoảng thời gian tối thiểu cần phải áp dụng điện áp âm giữa anode và cathode của thyristor sau khi dòng anode-cathode đã giảm về mức không, trước khi thyristor có thể chịu đựng một điện áp dương Uak và vẫn giữ trạng thái khóa. Thông số τ là rất quan trọng đối với thyristor, và thời gian cần cho quá trình khóa thường phải gấp 1,5-2 lần giá trị của τ.

Tốc độ thay đổi điện áp cho phép dU/dt (V/μs)

Thyristor là một linh kiện bán dẫn điều khiển, có nghĩa là dù phân cực thuận (Uak > 0) nhưng cần có tín hiệu điều khiển để cho phép dòng điện chạy qua. Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp xuất hiện trên lớp tiếp giáp J2 như minh họa trong hình.

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược, do đó, độ dày của nó gia tăng, tạo ra một vùng không gian thiếu điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng này có thể được xem như một tụ điện với điện dung Cj2. Khi điện áp thay đổi nhanh, dòng điện của tụ điện có thể đáng kể và hoạt động như một dòng điều khiển. Kết quả là, thyristor có thể được kích hoạt ngay cả khi không có tín hiệu điều khiển vào cực G.

Tốc độ thay đổi điện áp là một yếu tố phân biệt thyristor tần số thấp và cao. Đối với thyristor tần số thấp, dU/dt dao động từ 50 đến 200 V/μs, trong khi đối với thyristor tần số cao, dU/dt có thể đạt tới 500 đến 2000 V/μs.

(tham khảo...)

Tốc độ tăng dòng điện cho phép dI/dt (A/μs)

Khi thyristor bắt đầu mở, dòng điện không phân bố đều trên toàn bộ tiết diện của tinh thể bán dẫn. Dòng điện bắt đầu từ một số điểm gần cực điều khiển và sau đó lan rộng ra toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng điện quá nhanh, có thể dẫn đến mật độ dòng điện cao ở các điểm bắt đầu, gây ra sự phát nhiệt cục bộ nhanh chóng và có thể làm hỏng các điểm đó, từ đó gây ra hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.

Tốc độ tăng dòng điện cho phép ở thyristor tần số thấp khoảng 50÷100 A/μs, trong khi ở thyristor tần số cao, dI/dt có thể đạt từ 500÷2000 A/μs. Trong các bộ biến đổi, cần có các biện pháp để duy trì tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép. Điều này thường được thực hiện bằng cách nối tiếp các linh kiện bán dẫn với điện kháng nhỏ, sử dụng lõi không khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit chồng lên nhau. Các xuyến ferit phổ biến vì dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến chồng lên nhau. Xuyến ferit có đặc tính cuộn cảm bão hòa, khi dòng nhỏ, điện kháng cao giúp hạn chế tốc độ tăng dòng. Khi dòng lớn, ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không, vì vậy không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua dây dẫn.

Ứng dụng

Thyristor chủ yếu được ứng dụng trong các hệ thống yêu cầu chịu đựng điện áp và dòng điện cao, và thường được dùng để điều khiển dòng xoay chiều (AC). Thiết bị này có khả năng tự động đóng khi dòng điện đạt gần điểm 0 của điện áp hình sin, một quá trình gọi là Zero Cross.

Ghi chú

General Electric đã đặt tên cho 'Thyristor' là Silicon-controlled rectifier (SCR), và tên này đã trở nên phổ biến trong tài liệu Mỹ. Wikipedia tiếng Anh cũng đã tạo hai trang riêng biệt cho linh kiện này.

• Linh kiện bán dẫn
• Ký hiệu điện tử

Liên kết ngoài

Tài liệu liên quan đến Thyristor trên Wikimedia Commons