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 . C d 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 Điện tử công suất 1 transistor Q 1 bò ngắt dòng qua cuộn sơ cấp biến áp xung duy trì qua mạch cuộn sơ cấp và diode D m . Việc đưa xung kích dài vào cổng G làm tăng thêm tổn hao mạch cổng, do đó có thể thay thế nó bằng chuỗi xung. Muốn vậy, xung điều khiển kết hợp với tín hiệu ra của bộ phát xung vuông qua mạch cổng logic AND trước khi đưa vào cổng B của transistor Q 1 (xem H1.22b). Mạch kích chứa phần tử photocoupler có thể là phototransistor hoặc photothyristor. Xung kích ngắn phát ra từ diode quang ILED (Infrared light emiting diode) kích dẫn foto thyristor và từ đó kích dẫn thyristor công suất H1.24. Mạch kích đòi hỏi có nguồn dc cung cấp riêng vì thế tăng thêm 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 trên hình vẽ H1.23õ, độ lớn góc kích phụ thuộc thời gian nạp điện tích cho tụ (xác đònh bởi 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 bò hạn chế. Mạch bảo vệ thyristor: thông thường, mạch RC mắc song song với thyristor ( hình H1.22) có thể sử dụng để bảo vệ nó chống quá điện áp. Mạch có thể kết hợp với cuộn kháng bảo vệ mắc nối tiếp với thyristor chống sự tăng nhanh dòng điện qua linh kiện (diV/dt). Các giá trò RC có thể xác đònh từ điều kiện giới hạn điện áp trên linh 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 ≤ 400V C[ µ F] 0.1 0.22 0.47 1 1.5 2.2 R[ Ω ] 82 47 22 22 15 12 1-21 Điện tử công suất 1 P[W] 7 15 30 60 100 150 ≤ 500V C[ µ F] 0.1 0.22 0.33 0.68 1.5 2.2 R[ Ω ] 120 68 33 22 22 18 P[W] 10 25 40 70 150 250 ≤ 690V C[ µ F] 0.33 0.47 1.0 1.0 R[ Ω ] 47 33 33 22 P[W] 70 100 100 300 1.7 TRIAC Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện theo cả hai chiều. Vì vậy đònh nghóa dòng thuận và dòng ngược không có ý nghóa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược. Việc kích dẫn triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G. Điều kiện để triac đóng điện là đưa xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh kiện khác zero. Giống như thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng qua triac. Triac sẽ ngắt theo qui luật đã được giải thích đối với thyristor. Mô tả và chức năng Việc đóng triac theo cả hai chiều được thực hiện nhờ 1 cổng duy nhất G và xung dòng kích vào cổng G có chiều bất kỳ. Bởi vì triac dẫn điện cả hai chiều nến chỉ 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 G < 0 , i G < 0 Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tùy ý, nhưng thực tế việc kích thuận lợi hơn khi dòng kích dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòng qua triac âm. Các tính chất động Việc đóng (xem thyrisror): thời gian đóng t gt , nhanh nhất ở trường hợp a, chậm nhất ở trường hợp c. Tốc độ tăng của dòng dẫn bò giới hạn bởi: 1-22 Điện tử công suất 1 max VR max V crit i dt d i dt d i S ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 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 dt du dt du S ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = Các giá trò S ucrit thường nhỏ hơn 20V/µs. Tốc độ giới hạn của điện thế khóa S ucrit đối với triac điện ở trạng thái không dẫn điện có giá trò cao hơn - khoảng vài 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 I TSM 50A Dòng điện đỉnh không lập lại cực đại qua linh kiện-dạng sin- surge on- state current V GM 10V Điện áp kích cực đại – peak gate voltage I GM 2A Dòng điện kích cực đại- peak gate current V TM Max. 1,8V Điện áp trên triac khi dẫn điện- on state voltage V FGT ,V RGT Max. 1,5V Điện áp kích cổng I FGT ,I RGT Max. 30mA Dòng điện kích cổng (dV/dt) crit 5V/ sµ Độ tăng điện áp “khóa” – critical-rate of rise off-state commutating voltage (di T /dt) crit 100A/ sµ Độ tăng dòng điện qua linh kiện cực đại-Critical rate of rise of on-state current 1-23 . 15 15 50 10 P[W] 5 10 15 25 10 0 ≤ 400V C[ µ F] 0 .1 0 .22 0.47 1 1.5 2. 2 R[ Ω ] 82 47 22 22 15 12 1- 21 Điện tử công suất 1 P[W] 7 15 30 60 10 0 15 0 ≤ 500V C[ µ F] 0 .1 0 .22 0.33 0.68 1. 5. F] 0 .1 0 .22 0.33 0.68 1. 5 2. 2 R[ Ω ] 12 0 68 33 22 22 18 P[W] 10 25 40 70 15 0 25 0 ≤ 690V C[ µ F] 0.33 0.47 1. 0 1. 0 R[ Ω ] 47 33 33 22 P[W] 70 10 0 10 0 300 1. 7 TRIAC Triac là linh kiện. xem bảng B1.5 Bảng B1.5. Mạch bảo vệ SCR chống quá điện áp (SEMIKRON) Điện áp nguồn AC ≤ 50A ≤ 10 0A ≤ 20 0A ≤ 400A ≤ 800A ≤ 12 00A V 23 0≤ C[ µ F] 0 .22 0.33 0.68 1 10 4.7 R[ Ω ]