chuong_1_2_16_17_8985

Ñieän töû coâng suaát 1

1.6 – THYRISTOR (SCR- SILICON CONTROLLED RECTIFIER)

Moâ taû vaø chöùc naêngThyristor goàm 3 lôùp PN vaø maéc vaøo maïch ngoaøi goàm 3 coång: ñieän cöïc anode

A, cathode C vaø coång ñieàu khieån G. Veà maët lyù thuyeát toàn taïi caáu truùc thyristor: PNPN vaø NPNP, trong thöïc teá ngöôøi ta chæ phaùt trieån vaø söû duïng loaïi PNPN. Sô ñoà thay theá thyristor baèng maïch transistor ñöôïc veõ ôû hình H1.16. Giaû söû anode cuûa thyristor chòu taùc duïng cuûa ñieän aùp döông so vôùi cathode (uAK > 0). Khi ñöa vaøo maïch G, K cuûa cathode (töông öùng vôùi maïch base- emitor cuûa tranristor NPN) xung doøng IG, transistor NPN seõ ñoùng. Doøng ñieän daãn tieáp tuïc qua maïch emitor -base cuûa transistor PNP vaø ñoùng noù. Caùc transistor seõ tieáp tuïc ñoùng ngay caû khi doøng iG bò ngaét. Doøng qua collector cuûa moät transistor cuõng chính laø doøng ñi qua base cuûa transistor thöù hai vaø ngöôïc laïi. Caùc transistor vì vaäy cuøng nhau duy trì ôû traïng thaùi ñoùng.

Caùc tính chaát vaø traïng thaùi cô baûn: Neáu transistor bò ngaét, thì anode coù theå chòu ñöôïc ñieän aùp döông so vôùi

cathode.- traïng thaùi khoùa ; hoaëc ñieän aùp aâm so vôùi cathode - traïng thaùi nghòch. Hieän töôïng ñoùng SCR töùc chuyeån töø traïng thaùi khoùa sang traïng thaùi daãn ñieän

coù theå thöïc hieän neáu thoûa maõn caû hai ñieàu kieän sau: 1/- Thyristor ôû traïng thaùi khoùa. 2/-coù xung doøng ñieän kích iG > 0 ñuû lôùn. Hieän töôïng ngaét SCR : quaù trình chuyeån töø traïng thaùi daãn ñieän sang khoâng

daãn ñieän (töùc traïng thaùi nghòch hoaëc traïng thaùi khoùa). Quaù trình naøy goàm hai giai ñoaïn:

1/- Giai ñoaïn laøm doøng thuaän bò trieät tieâu: thöïc hieän baèng caùch thay ñoåi ñieän trôû hoaëc ñieän aùp giöõa anode vaø cathode.

2/- Giai ñoaïn khoâi phuïc khaû naêng khoùa cuûa thyristor. Sau khi doøng thuaän bò trieät tieâu, caàn coù moät thôøi gian - thôøi gian ngaét, ñeå chuyeån thyristor vaøo traïng thaùi khoùa.

Ñaëc tính V-A

1-16


Ñaëc tính V-A ngoõ ra: quan heä giöõa ñieän aùp vaø doøng ñieän ñi qua hai cöïc anode, cathode (xem hình H1.17). Ñaëc tính ngoõ vaøo quan heä giöõa ñieän aùp vaø doøng coång G (coång ñieàu khieån).

Ñaëc tính V-A ngoõ ra goàm 3 nhaùnh :

- nhaùnh thuaän (1): thyristor ôû traïng thaùi daãn ñieän. Ñoä suït aùp giöõa anode –

cathode nhoû khoâng ñaùng keå. - Nhaùnh nghòch (3): öùng vôùi traïng thaùi nghòch töông töï nhö diode. - Nhaùnh khoùa (2): öùng vôùi traïng thaùi khoùa. Neáu doøng iG = 0 thì daïng nhaùnh

khoùa töông töï nhö nhaùnh nghòch. Thay vì ñieän trôû rR thì ôû ñaây laø ñieän trôû rD (differential block resistance). Töông töï ta coù ñieän aùp ñoùng uBO thay vì uBR. Khi ñieän aùp ñaït ñeán giaù trò uBO, thyristor khoâng bò phaù hoûng maø seõ bò ñoùng (chuyeån töø traïng thaùi khoùa sang traïng thaùi daãn ñieän). Khi iG thay ñoåi, tuøy thuoäc vaøo ñoä lôùn cuûa iG maø giaù trò cuûa ñieän theá khoùa thay ñoåi theo (ñieän theá khoùa giaûm khi iG taêng). Hieän töôïng thyristor daãn ñieän do taùc duïng ñieän aùp vöôït quaù uBO (iG=0) laø söï coá gaây ra do quaù ñieän aùp xuaát hieän treân löôùi. Thoâng thöôøng, ta ñoùng thyristor baèng xung doøng qua maïch G,K. Ñieän trôû thuaän rT vaø ñieän aùp thuaän uTO ñöôïc ñònh nghóa töông töï nhö tröôøng hôïp cuûa diode. Khaùc vôùi diode, caùc nhaùnh thuaän cuûa thyristor khoâng baét ñaàu töø goùc zero cuûa heä truïc maø töø giaù trò IH – (holding current) doøng duy trì ôû traïng thaùi daãn. Neáu giaù trò doøng giaûm nhoû hôn iH thì thyristor trôû veà traïng thaùi khoùa. Ngay sau khi ñoùng thyristor, tröôùc khi doøng coång iG taét, ñoøi hoûi doøng thuaän phaûi ñaït ñeán hoaëc vöôït hôn giaù trò doøng choát iL, iL > iH (L: Latching).

Ñeå ñoùng thyristor, khoaûng ñaàu xung doøng kích phaûi coù trò ñuû lôùn. Daïng xung

doøng thöôøng söû duïng cho coång coù daïng nhö hình H1.18. Do tính chaát cuûa lôùp nghòch khoâng toát neân khoâng ñöôïc pheùp ñeå xuaát hieän treân noù ñieän theá aâm duø chæ raát nhoû. Khi thyristor ôû traïng thaùi nghòch vieäc kích vaøo coång G seõ laøm taêng doøng nghòch moät caùch

1-17


voâ ích. Caùc xung ñieàu khieån thöôøng ñöôïc truyeàn ñeán thyristor nhôø caùc bieán aùp xung. Nhieäm vuï cuûa noù laø taùch maïch coâng suaát khoûi nguoàn taïo xung kích. Khi söû duïng caùc bieán aùp xung, caàn phaûi giaûi quyeát vaán ñeà laøm taét nhanh doøng töø hoùa khi xung bò ngaét (neáu khoâng thì doøng töø khoâng ngöøng taêng leân sau moãi laàn ñöa xung vaøo) vaø vaán ñeà baûo veä lôùp coång cuûa thyristor tröôùc ñieän aùp nghòch. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà treân ta coù theå söû duïng daïng maïch ôû hình H1.22.

Caùc tính chaát ñoäng Taùc duïng ñieän aùp khoùa uV (hoaëc uD): veà baûn chaát ñoù laø taùc duïng ñieän aùp

nghòch leân lôùp baùn daãn (xem hình H1.19). Luùc ñoù, noù hoïat ñoäng nhö moät tuï ñieän, ñieän dung cuûa noù phuï thuoäc vaøo ñoä lôùn ñieän aùp ñaët vaøo:

( )dtdu.C

dtdC.u

dtu.Cdi V

VV

C +==

Theo phöông trình treân, doøng iC ñaït giaù trò lôùn khi dtduV ñuû lôùn (giaû söû raèng C

khoâng ñoåi). Bôûi vì moät phaàn ñöôøng daãn cuûa iC truøng vôùi ñöôøng daãn cuûa doøng kích coång neân coù taùc duïng nhö ñoùng kích vaø laøm ñoùng thyristor ngoaøi yù muoán. Vì theá ngöôøi ta giôùi haïn ñoä doác cuûa uV ñeán giaù trò:

max

Vcrit dt

duSu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Vieäc ñoùng thyristor khoâng xaûy ra ngay khi xung doøng iG vaøo coång. Thoaït tieân

doøng daãn iV ñi qua moät phaàn nhoû cuûa tieát dieän cuûa thyristor ôû choã noái vôùi coång G. Sau ñoù, ñieän tích daãn taêng daàn leân cuûa tieát dieän phieán baùn daãn, ñieän aùp khoùa giaûm daàn. Ñoái vôùi caùc thyristor, thoâng thöôøng thôøi gian ñoùng ñieän tgt ôû trong khoaûng 3 →10µs. Khi doøng iV taêng nhanh quaù, chæ coù moät phaàn nhoû tieát dieän chung quanh maïch coång G daãn ñieän vaø daãn ñeán quaù taûi, coù theå laøm taêng nhieät ñoä leân ñeán giaù trò laøm hoûng linh kieän.

Vì theá ñoä taêng cuûa doøng iV bò giôùi haïn ñeán giaù trò max

Vcrit dt

diS ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛= .

Ngaét thyristor (xem hình H1.21): giai ñoaïn ñaàu dieãn ra töông töï nhö khi ngaét diode .

Thôøi gian phuïc hoài tính nghòch trr, ñieän tích chuyeån maïch Qr (lôùn hôn ñoái vôùi thyristor). Sau khi phuïc hoài ñieän trôû nghòch cuûa caùc lôùp J1 vaø J3 (xem hình H119), quaù trình ngaét vaãn chöa chaám döùt, caàn coù theâm moät thôøi gian nöõa ñeå khoâi phuïc khaû naêng khoùa - töùc laø khoâi phuïc ñieän trôû nghòch cuûa lôùp J2. Vì vaäy, ta ñònh nghóa theâm tq laø thôøi gian ngaét toái thieåu caàn thieát maø SCR caàn duy trì aùp ngöôïc ñeå khoâi phuïc khaû naêng khoùa, noù baét ñaàu khi doøng ñieän thuaän trôû veà zero cho ñeán khi ñieän aùp khoùa taùc duïng trôû laïi maø khoâng laøm SCR ñoùng laïi (Ig = 0). Neáu ta taùc duïng ñieän aùp khoùa leân sôùm

1-18


1-19

hôn khoaûng thôøi gian tq naøy, SCR coù theå ñoùng ngoaøi yù muoán daãu chöa coù xung kí

do quaù trình chuyeån maïch, c

ch ñöa vaøo coång kích. Thôøi gian ngaét phuï thuoäc vaøo caùc ñieàu kieän luùc ngaét nhö nhieät ñoä chaát baùn daãn, doøng bò ngaét, toác ñoä giaûm doøng vaø ñieän aùp nghòch. Caùc thyristor thöôøng coù tq trong khoaûng töø vaøi µs ñeán haøng traêm µs.

Caùc heä quaû: coâng suaát toån hao do ñoùng ngaét quaù ñieän aùp aùc giôùi haïn Sucrit, Sicrit. Quaù ñieän aùp do quaù trình chuyeån maïch coù theå ñöôïc giôùi

haïn baèng maïch RC. Cuoän caûm khaùng baûo veä dtdiV keát hôïp vôùi maïch RC (song song

vôùi SCR) ñeå giôùi haïn ñoä doác dtduV .

haû naêng mang taûi K

doøng vaø khaû naêng quaù taûi ñöôïc xem xeùt töông töï nhö diode. Ñ

aùc thyristor ñaëc bieät

Khaû naêng chòu aùp vaø ieän theá nghòch cöïc ñaïi coù theå laëp laïi uRRM vaø ñieän theá khoùa uDRM thöôøng baèng

nhau vaø cho bieát caùc giaù trò ñieän aùp lôùn nhaát töùc thôøi cho pheùp xuaát hieän treân thyristor bôûi vì ñieän theá cöïc ñaïi khoâng laëp laïi cuûa thyristor thöôøng khoâng ñöôïc bieát. Khaû naêng chòu aùp cuûa thyristor ñaït ñeán haøng chuïc kV, thoâng thöôøng ôû möùc 5-7 kV, doøng ñieän trung bình ñaït ñeán khoaûng 5.000A. Ñoä suït aùp khi daãn ñieän naèm trong khoaûng 1,5-3V. Phaàn lôùn caùc thyristor ñöôïc laøm maùt baèng khoâng khí.

C

än aùp laëp laïi lôùn nhaát khoaûng vaøi ngaøn volt. Caùc thoâng soá ñaëc t

hôn nhö tq nhoû, Sucrit, va

g nhanh. Baèng caùch taùc duïng ñi

: Coù theå cho ñoùng bình thöôøng baèng xung kích vaøo coång G, hoaëc baèng tia

Thyristor cao aùp: coù ñieröng tính chaát ñoäng cuûa noù khoâng coù lôïi (Qr, tq,Sucrit, Sicrit). Thyristor nhanh: caùc thoâng soá caûi tieán tính chaát ñoäng ñöôïc toátø Sicrit lôùn. Khaû naêng chòu aùp vaø doøng cuûa noù thaáp hôn. Thyristor GATT: baûn chaát gioáng nhö thyristor ñaùp öùneän aùp ngöôïc leân maïch coång, thôøi gian tq coù theå giaûm xuoáng coøn phaân nöûa so

vôùi thyristor nhanh. Fotothyristor saùng leân vò trí nhaát ñònh cuûa voû chöùa thyristor.


Fotothyristor caùch ly nguoàn xung kích vaø maïch coâng suaát, caùc daïng cuûa noù ñöôïc veõ treân hình H1.20. Trong ñoù phöông aùn ôû hình a/- söû duïng daïng vi maïch giuùp taän duïng nguoàn tia saùng kích thích, phöông aùn b/- vaø c/- baûo ñaûm caùch ly toát giöõa nguoàn xung kích vaø maïch coâng suaát, do ñoù haïn cheá nhieàu taùc duïng cuûa soùng nhieãu, daïng c/- chæ caàn coâng suaát kích cuûa nguoàn saùng khoâng ñaùng keå. Baûng B1.4 Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa thyristor SKKT 41/12E (SEMIKRON) VRRM 1200V Ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi laäp laïi cho pheùp -Repetitive peak

Reverse voltage VDRM 1200V Ñieän aùp khoaù laäp laïi cöïc ñaïi cho pheùp -Repetitive peak

off-state voltage VRSM 1300V Ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi khoâng laäp laïi cho pheùp -Non-

repeative peak reverse voltage (dV/dt)crit 1000V/µ s Ñoä taêng ñieän aùp khoùa cho pheùp ITRMS 75A doøng ñieän hieäu duïng -RMS-on-state current ITAV 48A doøng ñieän trung bình -Mean on state current (di/dt)crit 150A/µ s Ñoä taêng doøng ñieän cho pheùp khi linh kieän ñoùng VT Max. 1,95V ñieän aùp thuaän -Direct on- state voltage VGT 3V ñieän aùp coång kích -Gate trigger voltage IGT 150mA Doøng ñieän coång kích -Gate trigger current IH 150mA doøng ñieän duy trì -Holding current- IL 300A doøng ñieän choát -Latching current

Maïch kích thyristor

Trong caùc boä bieán ñoåi coâng suaát duøng thyristor, thyristor vaø maïch taïo xung kích vaøo coång ñieàu khieån cuûa noù caàn caùch ñieän. Töông töï nhö caùc maïch kích cho transistor, ta coù theå söû duïng bieán aùp xung hoaëc optron, xem hình H1.22

Maïch kích duøng bieán aùp xung ñöôïc veõ treân hình H1.22a. Sau khi taùc duïng aùp

leân maïch coång B cuûa transistor Q1. Transistor Q1 daãn baõo hoøa laøm ñieän aùp Vcc xuaát hieän treân cuoän sô caáp cuûa bieán aùp xung vaø töø ñoù xung ñieän aùp caûm öùng xuaát hieän phía thöù caáp bieán aùp. Xung taùc duïng leân coång G cuûa thyristor. Khi khoùa xung kích cho

1-20


transistor Q1 bò ngaét doøng qua cuoän sô caáp bieán aùp xung duy trì qua maïch cuoän sô caáp vaø diode Dm.

Vieäc ñöa xung kích daøi vaøo coång G laøm taêng theâm toån hao maïch coång, do ñoù coù theå thay theá noù baèng chuoãi xung. Muoán vaäy, xung ñieàu khieån keát hôïp vôùi tín hieäu ra cuûa boä phaùt xung vuoâng qua maïch coång logic AND tröôùc khi ñöa vaøo coång B cuûa transistor Q1 (xem H1.22b).

Maïch kích chöùa phaàn töû photocoupler coù theå laø phototransistor hoaëc photothyristor. Xung kích ngaén phaùt ra töø diode quang ILED (Infrared light emiting diode) kích daãn foto thyristor vaø töø ñoù kích daãn thyristor coâng suaát H1.24. Maïch kích ñoøi hoûi coù nguoàn dc cung caáp rieâng vì theá taêng theâm giaù thaønh vaø kích côõ cuûa maïch ñieàu khieån.

Trong nhieàu tröôøng hôïp öùng duïng, maïch kích ñôn giaûn söû duïng caáu truùc chöùa

diac nhö treân hình veõ H1.23õ, ñoä lôùn goùc kích phuï thuoäc thôøi gian naïp ñieän tích cho tuï (xaùc ñònh bôûi haèng soá thôøi gian RC) vaø ñieän aùp taùc duïng cuûa diac. Maïch söû duïng tröïc tieáp nguoàn ñieän coâng suaát ñeå laøm nguoàn kích. Phaïm vi ñieàu khieån goùc kích bò haïn cheá.

Maïch baûo veä thyristor: thoâng thöôøng, maïch RC maéc song song vôùi thyristor ( hình H1.22) coù theå söû duïng ñeå baûo veä noù choáng quaù ñieän aùp. Maïch coù theå keát hôïp vôùi cuoän khaùng baûo veä maéc noái tieáp vôùi thyristor choáng söï taêng nhanh doøng ñieän qua linh kieän (diV/dt). Caùc giaù trò RC coù theå xaùc ñònh töø ñieàu kieän giôùi haïn ñieän aùp treân linh kieän hoaëc ñeå cho ñôn giaûn, coù theå söû duïng baûng tra cöùu cung caáp bôûi nhaø saûn xuaát- xem baûng B1.5

Baûng B1.5. Maïch baûo veä SCR choáng quaù ñieän aùp (SEMIKRON)

Ñieän aùp nguoàn AC

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

V230≤ 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


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 laø linh kieän coù theå daãn doøng ñieän theo caû hai chieàu. Vì vaäy ñònh nghóa

doøng thuaän vaø doøng ngöôïc khoâng coù yù nghóa, töông töï cho khaùi nieäm ñieän aùp ngöôïc. Vieäc kích daãn triac thöïc hieän nhôø xung doøng ñieän ñöa vaøo coång ñieàu khieån G. Ñieàu kieän ñeå triac ñoùng ñieän laø ñöa xung doøng kích vaøo coång ñieàu khieån trong ñieàu kieän toàn taïi ñieän aùp treân linh kieän khaùc zero.

Gioáng nhö thyristor, khoâng theå ñieàu khieån ngaét doøng qua triac. Triac seõ ngaét theo qui luaät ñaõ ñöôïc giaûi thích ñoái vôùi thyristor.

Moâ taû vaø chöùc naêng Vieäc ñoùng triac theo caû hai chieàu ñöôïc thöïc hieän nhôø 1 coång duy nhaát G vaø

xung doøng kích vaøo coång G coù chieàu baát kyø. Bôûi vì triac daãn ñieän caû hai chieàu neán chæ coù hai traïng thaùi, traïng thaùi daãn vaø khoùa. Maëc duø vaäy coù theå ñònh nghóa triac coù chieàu thuaän vaø chieàu nghòch.

Ñaëc tính V-A Ñaëc tính V-A cuûa triac töông töï nhö thyristor. Do khaû naêng daãn ñieän theo caû

hai chieàu, ñaëc tính triac coù daïng ñoái xöùng qua taâm toïa ñoä. Caàn noùi theâm veà tröôøng hôïp ñaëc tính coång ñieàu khieån. Vieäc kích ñoùng triac coù theå chia ra laøm caùc tröôøng hôïp:

uV > 0 a/- uG > 0 , iG > 0 b/- uG < 0 , iG < 0uVR > 0 c/- uG > 0 , iG > 0 d/- uG < 0 , iG < 0 Maëc duø coù theå taïo doøng kích coù daáu tuøy yù, nhöng thöïc teá vieäc kích thuaän lôïi

hôn khi doøng kích döông cho tröôøng hôïp doøng qua triac döông vaø doøng kích aâm khi doøng qua triac aâm.

Caùc tính chaát ñoäng Vieäc ñoùng (xem thyrisror): thôøi gian ñoùng tgt , nhanh nhaát ôû tröôøng hôïp a,

chaäm nhaát ôû tröôøng hôïp c. Toác ñoä taêng cuûa doøng daãn bò giôùi haïn bôûi:

1-22

chuong_1_2_16_17_8985

Documents