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.

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

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
.
C
d
i
V
V
V
C
+==

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

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
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛

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
.

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
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

kiện hoặc để cho đơn giản, có thể sử dụng bảng tra cứu cung cấp bởi nhà sản xuất-
xem bảng B1.5

Bảng B1.5. Mạch bảo vệ SCR chống quá điện áp (SEMIKRON)

Điện áp
nguồn AC

≤
50A
≤
100A
≤
200A
≤
400A
≤
800A
≤
1200A
V
230≤

C[
µ F] 0.22 0.33 0.68 1 10 4.7
R[
Ω
] 47 33 15 15 50 10
P[W] 5 10 15 25 100
≤

có hai trạng thái, trạng thái dẫn và khóa. Mặc dù vậy có thể đònh nghóa triac có chiều
thuận và chiều nghòch.
Đặc tính V-A
Đặc tính V-A của triac tương tự như thyristor. Do khả năng dẫn điện theo cả
hai chiều, đặc tính triac có dạng đối xứng qua tâm tọa độ. Cần nói thêm về trường
hợp đặc tính cổng điều khiển. Việc kích đóng triac có thể chia ra làm các trường hợp: u
V
> 0
a/- u
G
> 0 , i
G
> 0
b/- u
G
< 0 , i
G
< 0
u
VR
> 0
c/- u
G
> 0 , i
G
> 0
d/- u

⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=

Việc ngắt (xem thyristor): thời gian ngắt được tính từ lúc giảm dòng dẫn theo
một hướng về 0 đến khi có thể đặt điện áp khóa cùng chiều đó lên triac. Nếu ta ngắt
dòng dẫn của triac trong một chiều nào đó, điện thế khóa ở chiều ngược lại tăng lên ở
cuối quá trình chuyển mạch với tốc độ lớn có thể gây ra việc đóng ngoài ý muốn. Vì
thế, tốc độ tăng của điện thế khóa khi chuyển mạch bò giới hạn bởi giá trò:

max
VR
max
V
crit
u

trăm V/µs.
Khả năng chòu tải
Đònh mức điện áp: Xác đònh theo điện áp khóa cực đại có thể lặp lại, nó bằng
nhau cho cả hai hướng u
DRM
= u
RRM
. Điện áp cực đại không lặp lại không được biết .
Đònh mức dòng điện: Xác đònh theo giá trò hiệu dụng lớn nhất của dòng dẫn
i
VM
. Thường được đònh nghóa cho dòng hình sin đối với nhiệt độ cho trước và vận tốc
làm mát cho trước.

Bảng B1.6 Các thông số cơ bản của triac BCR5AS (Mitsubishi )
V
DRM
600A Điện áp khóa lập lại cực đại- repetitive peak off-state voltage
I
TRMS
5A Trò hiệu dụng dòng điện dẫn- RMS on-state current
I
FGT
,I
RGT
30mA Dòng điện kích
V
DSM
720V Điện áp khóa không lập lại cực đại- non-repetitive peak off-state
voltage

crit
100A/
sµ
Độ tăng dòng điện qua linh kiện cực đại-Critical rate of rise of on-state
current 1-23