Tài liệu thiết kế và thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất, chương 3 pptx

TRANG : 1
Chương 3: THYRISTOR
1. Cấu tạo và ký hiệu:
Thyristor được viết tắt là SCR (Silicon Controlled Rectifier),
gồm bốn lớp bán dẫn P
1
N
1
P
2
N
2
tạo thành như hình vẽ:
+ A : Anode(dương cực )
J
1

G : Gate J
2
(cực khiển) J
3

-K : Cathod(âm cực )
2. Nguyên lý làm việc :
Khi đặt Thyristor dưới điện áp một chiều, Anode nối vào cực
dương, Cathode nối vào cực âm của nguồn, thì J
1
, J
3
được phân cực
thuận còn J

2
bò phân cực ngược. Khi này toàn bộ điện áp đặt lên
mặt ghép J
2
. Điện trường nội tại E
i
của J
2
có chiều từ N
1
hướng P
2
.
Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E
i
vùng chuyển tiếp
cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng điện chảy
qua Thyristor, mặc dù nó bò đặt dưới điện áp thuận.
a. Mở Thyristor.
Nếu ta đưa một xung điện áp dương Vg (dương sg với K) tác
động vào cực cổng (gate), các điện tử từ N
2
chạy sang P
2
. Khi này,
một số ít của chúng chảy vào nguồn Vg đồng thời lúc này hình
thành dòng điện điều khiển Ig chạy theo hướng G J
3
K G.
Còn phần lớn điện tử, chòu sức hút của điện trường tổng hợp của

mặt ghép J
2
, lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc độ
động năng cũng lớn lên, bẻ gãy các liên kết của nguyên tử Si, tạo
nên những nguyên tử tự do mới. Số điện tử mới được giải phóng
này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp.
P
1
N
1
P
2
N
2
k
G
A
SCR
Hình I.12
Cấu tạo và ký hiệu của
TRANG : 2
Kết quả của phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng
nhiều điện tử chảy vào N
1
qua P
1
và đến cực dương của nguồn điện
ngoài gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, J
2
trở nên mặt ghép dẫn

điện, bắt đầu từ một điểm đó ở xung quanh cực G rồi phát triển ra
toàn bộ mặt ghép với tốc độ khoảng 1cm/100 s.
Điện trở của Thyristor khoảng 100k khi ở trạng thái khóa,
còn trạng thái mở khoảng 0.01.
J
1

J
2
J
3
k A
K

G


Hình trên là một phương pháp mở Thyristor đơn giản.
Khi nhấn S
1
(nối R
1
với cực cổng) thì Thyristor mở khi Ig >=
Igst.
Và thường lấy I
g
=(1.11.2)I
gst
. Điện trở R
1

được tính là :
R
1
= E/(1.1 1.2)I
gst
R
2
= 100 1000
Trong đó I
gst
là giá trò cho dòng điều khiển ghi trong sổ tay tra
cứu Thyristor.
Tóm lại Thyristor mở khi : V
AK
>1V và I
g
>= I
gst.
Thời gian mở t
on
là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện
chính chảy qua Thyristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực
điều khiển và thời gian kéo dài khoảng 10s.
b. Khóa Thyristor.
Mỗi một khi Thyristor dã mở thì nó không phù thuộc vào dòng
I
g
nữa. Để khóa Thyristor, có hai cách :
Hình I.13
Sơ đồ mạch SCR điển hình.

1
+
-
10V
P
1
N
1
P
2
N
2
TRANG : 3
* Làm giảm giá trò dòng điện làm việc xuống dưới giá trò dòng
duy trì I
H
.
* Đặt một điện áp ngược lên Thyristor (thường sử dụng ).
Khi V
AK
< 0v thì J
1
, J
3
phân cực ngược còn J
2
phân cực thuận.
Các điện tử, trước thời điểm đảo cực tính V
AK
, đang có mặt tại P

1
,
N
1
, P
2
, giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ
Cathode về Anode, về cực âm của nguồn điện áp ngoài.
Như hình ta thấy từ t
0
đến t
1
, dòng ngược khá lớn , sau đó J
1
rồi
J
3
trở nên cách điện. Còn lại một ít điện tử bò giữ lại giữa hai mặt
ghép J
1
và J
3
, hiện tượng khuếch tán sẽ làm cho chúng mất dần đi
cho đến hết, đồng thời J
2
khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều
khiển.
Thời gian t
off
được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng ngược (t

0
)
cho tới dòng điện ngược bằng 0(t
2
), trong khoảng thời gian này nếu
nó được đặt điện áp V
AK
thuận,
lên Thyristor, thì Thyristor cũng không mở, t
off
kéo dài trong
khoảng vài chục s.
Thyristor mở +V
AK
Thyristor khóa.
i
I
I
ng max
U
toff
U
ng
0 t
t
Hình I.14
Các dạng sóng điện áp khi tắt SCR.
TRANG : 13
3. Đặc tuyến Volt-Ampe của Thyristor.
I(A)

3
2

Uz 0
1

Uch U (v)
4
Đặc tính Volt -Ampe của Thyristor gồm 4 đoạn :
Đoạn 1 : Ứng với trạng thái Thyristor khóa, chỉ có dòng điện
rò chạy qua Thyristor. Khi U tăng lên đến U
ch
(điện áp chuyển
trạng thái ) - quá trình bắt đầu tăng trưởng nhanh chóng của dòng
điện, Thyristor chuyển sang trạng thái mở.
Đoạn 2 : Giai đoạn này phân cực của thuận của Thyristor.
Trong giai đoạn này mỗi lượng tăng trưởng nhỏ của dòng điện ứng
với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor.
Đoạn này được gọi là điện trở âm.
Đoạn 3 : Ứng với trạng thái mở của Thyristor. Khi này cả ba
mặt ghép đều được phân cực thuận. Lúc này giá trò dòng chảy qua
Hình I.15
Đặt tính volt
–
ampe của
TRANG : 14
Thyristor chỉ còn phù thuộc vào điện trở của mạch ngoài và điện áp
rơi trên Thyristor khoảng 1V. Thyristor được giữ ở trạng thái mở khi
dòng điện I vẫn lớn hơn dòng duy trì (I

H
).
Đoạn 4 : là trạng thái Thyristor bò đặt dưới một điện áp
ngược và I
ng
bằng vài chục mA. Nếu U = U
z
thì Thyristor bò hư.
4. Những tổn hao của Thyristor.
* Tổn hao do dòng điện thuận khi Thyristor ở trạng thái mở và
khóa.
* Tổn hao do dòng điện ngược.
* Tổn hao do chuyển mạch.
Bằng phương pháp tuyến tính hóa đường đặc tính ta có thể để
tính được tổn hao do dòng điện thuận gây ra khi nó ở trạng thái
khóa :
2
0
0
1
1
ththtbthtbthth
UGUIidtu
T
p 


Trong đó :
P
th

là giá trò công suất trung bình khi Thyristor ở trạng thái khóa
và điện áp trên nó là điện áp thuận.

1
,U
thtb
, U
th
lần lượt là khoảng thời gian, giá trò điện áp trung
bình, điện áp hiệu dụng mà điện áp đặt trên nó là điện áp thuận.
u
th
, I là giá trò tức thời của áp và dòng khi Thyristor bò khóa.
5. Các thông số cơ bản cần quan tâm để chọn Thyristor.
* Dòng điện thuận đònh mức I
max.
Nếu giá trò qua Thyristor lớn hơn giá trò I
max
thì nó sẽ bò hư
* Điện áp ngược cực đại U
ngmax
Đây là điện áp lớn nhất mà Thyristor chưa bò đánh thủng. Nếu
Thyristor có
U
ng
> U
ngmax
thì nó bò hỏng.
* Điện áp rơi U (V)
* Dòng điện điều khiển cực G (mA)

Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường điện thế U
AK
thấp thì
phải có dòng điện kích cho cực cổng (gate). Dùng I
Gmin
là trò dòng
kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng I
Gmin
TRANG : 15
còn tùy thuộc vào công suất của Thyristor, nếu Thyristor có công
suất càng lớn thì I
Gmin
càng lớn. Thông thường I
Gmin
= (1đến vài
chục mA)
.
* Tốc độ tăng dòng điện di/dt (A/s)
* Tốc độ tăng điện áp du/dt (V/s)
* Dòng điện rò I
co
(mA)
6. Bảo vệ quá điện áp.
Thyristor rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp đònh
mức (gọi là quá điện áp ).
Có hai loại nguyên nhân gây nên quá điện áp :
Nguyên nhân bên trong : đó là sự tích tụ điện tích trong các
lớp bán dẫn. Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích
nói trên đổi ngược lại hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong
khoảng thời gian rất ngắn (hình I.16a) .Sự biến thiên nhanh chóng

của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong
các điện cảm, luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các
thyristor. Do đó giữa anode và cathode của thyristor xuất hiện quá
điện áp.
Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường xảy
ra ngẩu nhiên như khi cắt không tải một máy biến áp trên đường
dây, khi một cầu chì bảo vệ nhảy, có sấm sét.
Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch RC, chúng được
mắc như hình I.16b:
Hình I.16b
Hình I.16a
t
t
i
u
AC
R
C
SCR
TRANG : 16
7. Ứng dụng :
Dùng trong các mạch điền khiển động cơ, trong các mạch báo
động…