TỔNG QUAN VỀ THYRISTOR

Chương THYRISTOR Thyristor tên chung để họ linh kiện đóng ngắt bán dẫn Chúng có đặc tính chung cho dòng điện qua kính dẫn cản dòng điện chưa kích dẫn Khi kích dẫn, Thyristor chuyển sang trạng thái tổng trở thấp (giống công tắt đóng) giữ trạng thái đến dòng điện qua mức nhỏ gọi mức giữ (holding level) Một kích dẫn, Thyristor không trở lại trạng thái ngừng dẫn dù dòng kích Những đặc tính làm cho Tryristor đặc biệt thích hợp cho ứng dụng điều khiển So với công tắc cơ, Thyristor có ưu điểm tuổi thọ dài, thời gian chuyển mạch ngắn Thyristor sử dụng nhiều mạch công suất đóng ngắt thiết bị bảo vệ tải Một số lĩnh vực ứng dụng điển hình là: Điều khiển động cơ, đèn điện, thiết bị gia dụng, thiết bị văn phòng, nguồn… Hai linh kiện họ Thyristor SCR (Silicon Controlled Rectifiers) TRIAC (Triode Alternating Current) SCR dùng cho đóng ngắt tải chiều TRIAC dùng cho đóng ngắt tải hai chiều Về mặt thiết kế sử dụng, cần đảm bảo Thyristor nằm giới hạn an toàn độ tăng áp (dv/dt) tăng dòng (di/dt) Ngoài cần phải có xung kích đủ lớn đủ nhanh Thông thường Thyristor cần dòng kích tối thiểu 50% dòng chịu đựng tối đa chân kích Có nhiều mạch kích cho Tryristor kích transistor, cổng logic, linh kiện cách li quang optocoupler … Cấu tạo kí hiệu: Bảng liệt kê tên gọi kí hiệu số loại Thyristor Trong SCR linh kiện điều khiển công suất dùng nhiều TRIAC thường dùng cho dòng điện xoay chiều AC với cường độ thấp (dưới 40A) DIAC, SUS SBSs thường dùng làm linh kiện kích dẫn cho linh kiện công suất Tên Kí hiệu SUS (Silicon Unilateral Switch) SCR (Silicon Controlled Rectifiers) DIAC (Diode for Alternating Current) TRIAC (Triode Alternating Current) Thysistor Surge Protective Devices and Sidac PUT (Programmable Unijuntion Transistor) Cơ hoạt động Thyristors: Xét cấu tạo SCR Hình 4.1(c), SCR transistor BJT ghép lại: B1 nối với C2 C1 nối với B2 Nếu ban đầu cực cổng GATE cấp dòng điện đủ lớn IG, có dòng điện khuếch đại (do THYRISTOR / 12 BJT2) chạy từ Anode qua cực B1 đến C2 Cathode Dòng điện dòng IC2 = IB1 làm cho BJT1 khuếch đại dòng điện từ Anode đến C1 B2 Cathode IG + IC1 = IB2 Hai dòng điện vòng khép kín khuếch đại lẫn nhanh chóng đạt đến bão hòa Khi đạt trạng thái dẫn bão hòa, dòng kích IG ban đầu không cần thiết để trì trạng thái bão hòa hai BJT Hình 4.1- Cấu tạo kí hiệu Thyristor Để ngắt Thyristor, cần phải thay đổi dòng điện khuếch đại khép kín Điều thực cách ngắn mạch chân Anode Cathode để dòng điện giảm giá trị đủ nhỏ, gọi dòng giữ (holding current) 2.1 Đặc tính kích dẫn (Triggering characteristics) Để kích dẫn Thyristor cần bơm dòng điện vào vòng khuếch đại khép kín Dòng điện bơm vào cách: Dòng điện vào chân Gate (cổng) đánh thủng lớp tiếp giáp P-N bên TRIAC Dòng điện cấp vào chân Gate tăng lên làm cho điện áp đánh thủng giảm Hình 4.2 Hình 4.2 – Đặc tính kích dẫn Thyristor Khi kích dẫn Thyristor điện áp đánh thủng, Thyristor chịu công suất tức thời lớn nhiệt sinh làm hỏng Thyristor Cho nên bình thường SCR TRIAC hoạt động mức điện áp đánh thủng kích dẫn dòng điện cực cổng đủ lớn, bất chấp điện áp đặt vào linh kiện Về ảnh hưởng nhiệt độ, nhiệt độ tăng làm đặc tính kích dẫn dễ xảy Nguyên nhân cực cổng xem Diode (nối B-E transistor): nhiệt độ tăng làm rơi áp qua diode giảm Về đặc tính kích dẫn xung dòng điện, độ rộng xung kích giảm độ lớn xung kích phải lớn để đảm bảo kích dẫn Đồ thị cho thấy quan hệ độ lớn động rộng xung kích THYRISTOR / 12 2.2 Đặc tính chuyển mạch (Switching characteristics) Kích dẫn: Ban đầu kích dẫn Thyristor, điện áp thuận (MT1-MT2) qua thyristor giảm xuống VF (giá trị nhỏ), dòng điện qua thyristor tăng dần (Hình 4.3(a)) Quá trình tổn hao công suất thyristor phát nhiệt Để giới hạn nhiệt lượng phát nhanh1 gây hỏng thyristor, tốc độ tăng dòng điện cần phải giới hạn (giá trị di/dt cho datasheet) (a) Đặc tính dòng áp đóng Thyristor (b) Đặc tính dòng áp ngắt Thyristor Hình 4.3 – Đặc tính chuyển mạch Thyristor Khi ngắt dẫn, Thyristor chịu ảnh hưởng điện áp phân cực thuận mối nối P-N Nên có dòng điện ngược qua Thyristor giống Diode Thời gian chịu dòng ngược tq Thyristor loại thường khoảng 100uS đến 500uS Thyristor loại nhanh khoảng 10uS đến 100uS 2.3 Kích dẫn không mong muốn – False triggering Kích dẫn không mong muốn tượng Thyristor bị kích dẫn tin hiệu điều khiển kích cực cổng Các nguyên nhân dẫn đến kích dẫn không mong muốn là: - Độ tăng áp dv/dt đặt vào Thyristor lớn: Điện áp đột ngột đặt vào Thyristor trạng thái tắt làm cho Thyristor trở lại trạng thái mở Nguyên nhân có tụ điện kí sinh bên Thyristor: Khi dQ dv C đột ngột đặt điện áp lớn vào Thyristor, dòng điện sinh tụ điện nạp I C  kích dẫn dt dt Thyristor Để hạn chế dv/dt giới hạn cho phép, người ta dùng mạch RC snubber - Điện áp thay đổi (transient voltage): Điện áp thay đổi điện áp nhiễu nhiều nguyên nhân khác Điện áp nhiễu vượt giá trị giới hạn áp đóng VBR làm kích đóng Thyristor - Nhiễu chân cổng Gate: Trong số trường hợp kích dẫn không mong muốn nhiễu từ chân điều khiển Để hạn chế nhiễu này, ta nối đất cho thiết bị gắn tụ điện từ 0.01 đến 0.1uF từ chân Gate đến chân Cathode để lọc nhiễu Ngoài ra, tụ điện lọc nhiễu giúp tăng khả chịu đựng dv/dt Thyristor Không kịp tản nhiệt THYRISTOR / 12 2.4 Đặc tính hoạt động SCR: Hình 4.4 – Đặc tính hoạt động SCR 2.5 Đặc tính hoạt động TRIAC: TRIAC có khả dẫn điện theo chiều thường xem SCR ghép song song ngược chiều Trên Hình 4.5 kí hiệu TRIAC đặc tính hoạt động TRIAC Các miền kích dẫn TRIAC cho Hình 4.5(c) Miền I nhạy kích dẫn miền IV nhạy kích dẫn (a) Kí hiệu (b) Đặc tính hoạt động (c) Miền kích dẫn Hình 4.5 – Đặc tính hoạt động TRIAC So với công tắc cơ, TRIAC có số ưu điểm sau: - Không bị tượng dội công tắc hay phóng điện tiếp điểm - Khả đóng ngắt nhanh so với công tắc relay - Có thể kích dẫn nhiều nguồn khác nhau: AC, DC, xung … THYRISTOR / 12 Mạch kích Thyristors: Nhìn chung, để kích dẫn Thyristor, mạch kích cần phải cung cấp đủ lượng vào chân kích Có nhiều cách để thực kích dẫn nhìn chung mạch kích cần dòng điện đủ lớn nhanh để đảm bảo kích dẫn hoàn toàn, tối thiểu hóa ảnh hưởng di/dt Thông thường mạch kích cần cung cấp cường độ dòng điện lớn gấp lần cường độ tối thiểu cần kích dẫn với sườn xung kích 1us, độ rộng xung kích lớn 10 us Hình 4.6 biểu thị mối quan hệ độ rộng xung cường độ dòng điện kích cần thiết cho Thyristor Để tính toán dòng kích dẫn, cần xét yếu tố: Dòng kích IGT điện áp kích VGT Hình 4.4 Điểm kích dẫn (IGT,VGT) phải nằm miền kích dẫn miền giới hạn đường Lưu ý hai thông số dòng áp có hệ số ảnh hưởng nhiệt âm, nghĩa nhiệt độ tăng thì dòng IGT Hình 4.6 – Quan hệ xung kích dòng kích Thyristor áp VGT giảm Cho nên tính toán, cần xét IG VGT nhiệt độ thấp (250C) Ngoài ra, để đảm bảo Thyristor không dẫn, cần đảm bảo VGT ≤ 0.4V Hình 4.7 - Yêu cầu dòng áp kích Thyristor THYRISTOR / 12 Kích trực tiếp điện trở Kích trực tiếp chân TTL ngõ cột-chạm(1) Cấu trúc chân TTL ngõ cột chạm Hình 4.8(a), nguyên lý hoạt động mạch khuếch đại đảo kênh AB: Khi tín hiệu Vin mức logic [1] ngõ mức logic [0] ngược lại (a) Ngõ cột chạm (b) Ngõ cực thu hở Hình 4.8 - Cấu trúc chân logic Đối với Thyristor có đặc tính kích nhạy (dòng kích thấp 200µA), dùng chân TTL kích trực tiếp cho Thyristor (Hình 4.9), lưu ý cần phải thêm điện trở để hạn dòng, tăng dòng cho chân TTL (c) Hình 4.9 – Mạch kích trực tiếp TTL ngõ cột chạm Khi TTL logic [0]: Để dòng điện không vượt 16mA chân TTL: R1  VCC  312  => Chọn R1 = 330Ω 16 mA TTL with TOTEM-POLE output THYRISTOR / 12 Khi TTL logic [1], điện áp tối thiểu 2.4V, rơi áp qua R2 tối thiểu (2.4V-VGT) Ngoài ta có: I R  I R1  Như ta được: R2  VCC  2.4V  7.9mA 330  2.4V  VGT 2.4V  1V   177  Chọn R2 = 180Ω I R2 7.9mA Khi cần kích Thyristor điện áp âm ta sử dụng mạch Error! Reference source not found.(c) Để dòng điện chân TTL không vượt 16mA, ta cần điện trở Rlim: RLIM  5V  VGT 5V  1V   250  , chọn RLIM = 270Ω I OL 16 mA Kích trực tiếp chân TTL ngõ cực thu hở: Cấu trúc chân ngõ cực thu để hở (b) Để sử dụng chân ngõ cực thu để hở, cần gắn thêm điện trở treo (lên xuống) Các mạch kích trực tiếp Hình 4.10Error! Reference source not found Tính toán thông số ngõ tương tự kiểu TTL ngõ cột chạm (b) Kích mức thấp (a) Kích mức cao Hình 4.10 – Kích trực tiếp chân TTL cực thu hở Kích Thyristor sử dụng transistor đệm dòng: Khi kích Thyristor cần dòng kích lớn vượt đáp ứng chân TTL, ta cần “đệm dòng” nhiều transistor Những mạch sau minh họa số cách kích Thyristor sử dụng transistor Transistor BJT kích nối tiếp Thyristor Transistor BJT kích nối tiếp Thyristor mức logic [0], miền I miền IV mức logic [1], miền I miền IV Hình 4.11 – Mạch kích Thyristor dùng transistor BJT đệm Các điện trở R1, R3, R5 ổn định hoạt động mạch (có thể không cần thiết) Điện trở R4 kích Thyristor Q1 dẫn THYRISTOR / 12 R4 MAX  VCC  VCE ( SAT )  VGT I GTMIN Điện trở R2 kích Q1 dẫn Giá trị R2 cần giới hạn cho dòng IB Q1 không vượt giá trị cực đại IBMAX R2 MIN  (a) Transistor BJT kích nối tiếp Thyristor mức logic [1], miền II miền III VCC  VBE  VGT I BMAX (b) Transistor BJT kích nối tiếp Thyristor mức logic [0], miền II miền III (d) Transistor BJT kích song song Thyristor (c) Transistor BJT kích song song Thyristor mức logic [1], miền II miền III mức logic [0], miền I miền IV Hình 4.12 – Các dạng mạch kích dùng transistor đệm dòng Kích Thyristor sử dụng Opto cách ly: Để cách ly điện phần tử điều khiển phần tử công suất, ta sử dụng Opto quang Hình 4.13 Hình 4.13 – Kích Thyristor opto chuyên dụng Nguyên lý hoạt động đơn giản: Phần tử điều khiển kích LED sáng, LED sáng kích Photo Triac dẫn Photo triac kích chân G Triac công suất Điện trở R giới hạn dòng kích THYRISTOR / 12 Kích Thyristor sử dụng biến áp cách ly Giao tiếp vi điều khiển kích Triac: Chân ngõ vi điều khiển thường tương thích chuẩn TTL nên giao tiếp giao tiếp VĐK với Thyristor giao tiếp TTL với Thyristor Tuy nhiên VĐK cần cách ly để đảm bảo chống nhiễu tốt (a) Kích dẫn mức cao (b) Kích dẫn mức thấp Hình 4.14 – Mạch kích Triac vi điều khiển có cách ly opto Ví dụ tính toán giá trị điện trở cho mạch kích Hình 4.14(a) Một loại VĐK có đặc trưng dòng điện điện áp sau: IOHMAX = 300uA (VOH = 2.4V) ; IOLMAX = 1.8mA (VOL = 0.4V) ; VCC = 5V Transistor đệm có dòng IC = 10mA (để kích MOC3011) dòng điện kích IB = 0.75mA ; VCE(SAT) = 0.1V Ta có I OL  VCC V  I OLMAX  R1  CC  2.77 k ; Chọn R1= 3KΩ , 1/4W R1 I OLMAX Với dòng điện kích IB = 0.75mA, điện áp ngõ chân kích VOH = VCC – IB.R1 = – 0.75 x 3k = 2.75V R2  2.75  BBE 2.75  0.75   2.66 k ; Chọn R2 = 2.7kΩ , 1/4W IB 0.75 R3 hạn dòng qua LED: R3   VCE ( SAT )  VF 10 mA   0.1  1.2  370  10 mA 3.1 Điều khiển kích Thyristor: Có hai kỹ thuật điều khiển Thyristor điều khiển đóng-mở điều khiển phase Trong kỹ thuật điều khiển đóng-mở (Hình 4.15), Thyristor kích tải đóng-mở liên tục theo chu kì (thường lớn chu kì dòng điện) Công suất qua tải thay đổi cách thay đổi tỷ lệ thời gian đóng thời gian mở chu kì Ví dụ Thyristor đóng tải nhiệt trở phút ngắt tải phút chu kì THYRISTOR / 12 đóng ngắt phút Trong kỹ thuật điều khiển phase, Thyristor kích dẫn thời điểm khác chu kì dòng điện gọi góc kích Việc thay đổi góc mở thay đổi công suất qua tải Công suất tải tính bằng: POUT VRMS t  on RL T Hình 4.15 – Kỹ thuật điều khiển đóng - mở [1] Hình 4.16 – Kỹ thuật điều khiển phase [1] 3.2 Mạch Snubber cho Thyristor Tải cảm mô-tơ, cuộn dây có đặc tính dòng điện điện không phase (hình ) Khi TRIAC dẫn dòng điện AC, chu kỳ có khoảng thời gian dòng điện tiến (dòng điện hình sin) làm cho TRIAC ngưng dẫn dẫn lại có dòng điện Chính lệch phase dòng điện điện áp làm cho dòng điện rơi mức giữ (holding current), TRIAC không dẫn, điện áp đặt lên TRIAC tồn mức (dòng điện sớm phase điện áp) Hệ tốc độ tăng điện áp dv/dt đạt mức làm cho TRIAC kích dẫn không mong muốn trình điều khiển thất bại Để giới hạn giá trị dv/dt này, người ta mắc song song với TRIAC mạch RC gọi Snuber Network Điện áp nạp vào tụ CS làm giảm giá trị dv/dt qua TRIAC Điện trở RS giới hạn dòng tức thời qua tụ CS giảm độ dung kháng cho tải cảm THYRISTOR 10 / 12 Hình 4.17- Tải trở u i phase Hình 4.18 - Tải cảm u i lệch phase Hình 4.19 – Mạch RC snubber cho Thyristor Đối với mạch có hệ số công suất cosφ ≥ 0.7, giá trị mạch snubber tính gần đúng:  f I T ( RMS )   C S  25 L.  dV / dt  ; RS  3L CS Với IT(RMS) dòng điện hiệu dùng qua Thyristor L cảm kháng tải f tần số mạch Bài tập: Cho mạch kích Error! Reference source not found., TRIAC loại BTA12, tải R=100Ω, điện xoay chiều hình sin 60Hz, VRMS = 220V Hãy chọn lựa transistor kích, tính toán giá trị điện trở mạch và: (a) Mô mạch proteus để so sánh giá trị tính toán giá trị mô (b) Đưa đồ thị đóng ngắt ngõ vào (TTL) – ngõ (tải), dòng IB, dòng IG, áp qua thyristor, áp qua transistor, công suất qua thyristor, công suất qua transistor, công suất qua điện trở Cho mạch kích Hình 4.14(a),(b), MCU vi điều khiển sử dụng PIC, Opto sử dụng MOC3041, TRIAC loại BTA12 Hãy chọn transistor theo bảng phụ lục tính điện trở mạch (a) Mô mạch proteus để so sánh giá trị tính toán giá trị mô (b) Đưa đồ thị đóng ngắt ngõ vào (TTL) – ngõ (tải), dòng IB, dòng IG, áp qua thyristor, áp qua transistor, công suất qua thyristor, công suất qua transistor, công suất qua điện trở THYRISTOR 11 / 12 Project đọc tài liệu [1] Datasheet Ratings for Thyristors – Semikron [2] Thyristor and Rectifier Dimensioning and Selection – Semikron [3] Fault behaviour and Diode-Thyristor protection – Semikron (26p) [4] Triggering and gate characteristics of Thyristors – Teccor Electronics THYRISTOR 12 / 12 [...]... dòng IG, áp qua thyristor, áp qua transistor, công suất qua thyristor, công suất qua transistor, công suất qua các điện trở THYRISTOR 11 / 12 Project đọc tài liệu [1] Datasheet Ratings for Thyristors – Semikron [2] Thyristor and Rectifier Dimensioning and Selection – Semikron [3] Fault behaviour and Diode -Thyristor protection – Semikron (26p) [4] Triggering and gate characteristics of Thyristors – Teccor... trong mạch và: (a) Mô phỏng mạch bằng proteus để so sánh giá trị tính toán và giá trị mô phỏng (b) Đưa ra các đồ thị đóng ngắt ngõ vào (TTL) – ngõ ra (tải), dòng IB, dòng IG, áp qua thyristor, áp qua transistor, công suất qua thyristor, công suất qua transistor, công suất qua các điện trở 2 Cho mạch kích như Hình 4.14(a),(b), MCU là vi điều khiển sử dụng PIC, Opto sử dụng MOC3041, TRIAC loại BTA12 Hãy... Tải thuần trở u và i cùng phase Hình 4.18 - Tải cảm u và i lệch phase Hình 4.19 – Mạch RC snubber cho Thyristor Đối với mạch có hệ số công suất cosφ ≥ 0.7, các giá trị mạch snubber được tính gần đúng:  f I T ( RMS )   C S  25 L.  dV / dt  2 ; RS  3L CS Với IT(RMS) là dòng điện hiệu dùng qua Thyristor L là cảm kháng tải f là tần số mạch Bài tập: 1 Cho các mạch kích như Error! Reference source... Thyristor and Rectifier Dimensioning and Selection – Semikron [3] Fault behaviour and Diode -Thyristor protection – Semikron (26p) [4] Triggering and gate characteristics of Thyristors – Teccor Electronics THYRISTOR 12 / 12 ... đóng Thyristor (b) Đặc tính dòng áp ngắt Thyristor Hình 4.3 – Đặc tính chuyển mạch Thyristor Khi ngắt dẫn, Thyristor chịu ảnh hưởng điện áp phân cực thuận mối nối P-N Nên có dòng điện ngược qua Thyristor. .. thị cho thấy quan hệ độ lớn động rộng xung kích THYRISTOR / 12 2.2 Đặc tính chuyển mạch (Switching characteristics) Kích dẫn: Ban đầu kích dẫn Thyristor, điện áp thuận (MT1-MT2) qua thyristor giảm... giảm Hình 4.2 Hình 4.2 – Đặc tính kích dẫn Thyristor Khi kích dẫn Thyristor điện áp đánh thủng, Thyristor chịu công suất tức thời lớn nhiệt sinh làm hỏng Thyristor Cho nên bình thường SCR TRIAC