Chương 4.
THYRISTOR
Thyristor là tên chung để ch ỉ một h ọ các linh kiện đóng ngắt bán dẫn. Chúng có đặc tính chung là cho dòng điện qua khi đượ c kính dẫn và cản dòng điện khi chưa được kích dẫn. Khi được kích dẫn, Thyristor chuyển sang trạng thái tổng trở thấp (giống như công tắt đóng) và giữ ở trạng thái này đến khi dòng điệ n đi qua ở dưới m ức nh ỏ nhất nào đó gọi là mức giữ (holding level). Một khi đã được kích dẫn, Thyristor sẽ không trở lại trạng thái ngừng dẫn dù mất dòng kích. Những
đặc tính trên làm cho Tryristo r đặ c bi ệt thích hợp cho các ứng dụng điều khiển. So với công tắc
cơ, Thyristor có ưu điểm tu ổi th ọ dài, thời gian chuyển m ạch ngắn. Thyristor được s ử d ụng nhiều trong các mạch công suất v ề đóng ngắt thiết bị và b ảo vệ quá tải. Một số lĩnh vực ứng dụng điển hình là: Điều khiển động cơ, đèn điệ n, các thiết bị gia dụng, thiết bị văn phòng, bộ nguồn… Hai linh kiện cơ bản trong họ Thyristor là SCR (Silicon Controlled Rectifiers) và TRIAC (Triode Alternating Current). SCR dùng cho đóng ngắt tải một chiều trong khi TRIAC dùng cho đóng ngắt tải cả hai chiều. Về mặt thiết kế và sử dụng, cần đảm bảo Thyristor nằm trong giới hạn an toàn độ tăng áp (dv/dt) và tăng dòng (di/dt). Ngoài ra c ần phải có xung kích đủ lớn và đủ nhanh. Thông thường Thyristor cần dòng kích tối thiểu 50% dòng chịu đựng tối đa của chân kích. Có nhiều mạch kích cho Tryristor như kích bằ ng transistor, bằng cổng logic, bằng linh kiện cách li quang optocoupler …
1.
Cấu tạo và kí hiệu:
Bảng liệt kê tên gọi và kí hi ệu của một số loại Thyristor. Trong đó SC R là linh ki ện điều khiển công suất được dùng nhiều nhất. TRIAC thường dùng cho dòng điện xoay chiều AC với cường độ thấp (dưới 40A). DIAC, SUS và SBSs thì thườ ng dùng làm linh kiện kích dẫn cho các 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)
2.
Cơ bản về hoạt động của Thyristors:
Xét cấu t ạo c ủa SCR trên Hình 4.1(c), SCR là do 2 transistor BJT ghép lại: B 1 n ối v ới C 2 và C1 n ối v ới B2. Nếu ban đầu cực cổng GATE được cấp một dòng điện đủ lớn IG, sẽ có dòng điện khuếch đại (do
THYRISTOR
1
/ 12
BJT2) chạy từ Anode qua c ực B 1 đến C 2 r ồi ra Cathode. Dòng điệ n này là dòng IC2 = IB1 làm cho BJT1 khuếch đại dòng điện từ Anode đến C1 rồi B2 rồi ra Cathode IG + IC1 = IB2. Hai dòng điện trong một vòng khép kín khuếch đại lẫn nhau và nhanh chóng đạt đến bão hòa. Khi đạt trạng thái dẫn bão hòa, dòng kích IG ban đầu không còn cần thiết để duy trì trạng thái bão hòa của hai BJT.
Hình 4.1- Cấu tạo và kí hiệu của Thyristor Để ngắt Thyristor, cần phải thay đổi dòng điện khuếch đại khép kín. Điều này có thể thực hiện bằng cách ngắn m ạch chân Anode và Cathode để dòng điện gi ảm v ề giá trị đủ nh ỏ, g ọi là dòng giữ (holding current).
Đặc tính kích dẫn (Triggering characteristics) Để kích dẫn Thyristor cần bơm dòng điện vào vòng khuếch đại khép kín. Dòng điện có thể được bơm vào bằng 2 cách: Dòng điện đi vào chân Gate (cổ ng) hoặc đánh thủng lớp tiếp giáp P-N bên trong TRIAC. Dòng điện cấp vào chân Gate tăng lên sẽ làm cho điện áp đánh thủng giảm như trên Hình 4.2. 2.1.
Hình 4.2 – Đặc tính kích dẫn của Thyristor Khi kích dẫn Thyristor bằng điện áp đánh thủng, Thyristor chịu công suất t ức th ời quá lớn và nhiệt sinh ra có thể làm hỏng Thyristor. Cho nên bình thường SCR và TRIAC ho ạt động dưới mức điện áp đánh thủng và được kích dẫn bằng dòng điện cực cổng đủ lớn, bất chấp điện áp đặt vào linh kiện. Về ảnh hưởng c ủa nhiệt độ, nhiệt độ tăng làm đặc tính kích dẫn d ễ x ảy ra hơn. Nguyên nhân cổng được xem như Diode (nối B-E của transistor): nhiệt độ tăng làm rơi áp qua diode giảm.
là do cực
Về
đặc tính kích dẫn b ằng xung dòng điện, độ r ộng xung kích giảm thì độ l ớn xung kích phải càng lớn để đảm bảo kích dẫn. Đồ thị cho thấy quan hệ giữa độ lớn và động rộng xung kích. THYRISTOR
2
/ 12
2.2.
Đặc tính chuyển mạch (Switching characteristics)
Kích dẫn: Ban đầu kích dẫn Thyristor, điện áp thuận (MT1-MT2) qua thyristor gi ảm xuống V F nào đó (giá trị nhỏ), và dòng điện qua thyristor tăng dầ n (Hình 4.3(a)). Quá trình này tổn hao công su ất và thyristor phát nhiệt. Để giới hạn nhiệt lượng phát ra quá nhanh 1 có thể gây hỏng thyristor, tốc độ tăng của dòng điện cần phải giới hạn (giá trị di/dt cho trong datasheet).
(a)
Đặc tính dòng và áp khi đóng Thyristor
(b)
Đặc tính dòng và áp khi ngắt Thyristor
Hình 4.3 – Đặc tính chuyển mạch của Thyristor Khi ngắt dẫn, Thyristor chịu ảnh hưởng c ủa điện áp phân cực thuận m ối nối P-N. Nên s ẽ có dòng điện ngược qua Thyristor giống như Diode. Thời gian chịu dòng ngược t q c ủa Thyristor loại thường khoảng 100uS đến 500uS. Thyristor loại nhanh khoảng 10uS đến 100uS. Kích dẫn không mong muốn – False triggering Kích dẫn không mong muốn là hiện tượng Thyristor bị kích dẫn khi không có tin hi ệu điều khiển kích ở 2.3.
cực cổng. Các nguyên nhân d ẫn đến kích dẫn không mong muốn là: - Độ tăng áp dv/dt đặt vào Thyristor lớn: Điện áp đột ngột đặt vào Thyristor trong tr ạng thái tắt sẽ làm cho Thyristor tr ở lại tr ạng thái mở. Nguyên nhân là do có t ụ điện kí sinh bên trong Thyristor: Khi dQ dv C sẽ kích dẫn đột ngột đặt điện áp lớn vào Thyristor, dòng điệ n sinh ra tụ điện nạp I C dt dt Thyristor. Để hạn chế dv/dt trong giới hạn cho phép, người ta dùng mạch RC snubber.
Điện áp thay đổi (transient voltage): Điện áp thay đổi có thể là điện áp nhiễu do nhiều nguyên nhân khác nhau. Điện áp nhiễu này vượt quá giá trị giới hạn áp đóng VBR sẽ làm kích đóng Thyristor. -
- Nhiễu chân cổng Gate: Trong một số trường hợp kích dẫn không mong mu ốn do nhiễu từ chân điều khiển. Để h ạn ch ế nhiễu này, ta có th ể n ối đất cho thiết b ị ho ặc g ắn m ột t ụ điện t ừ 0.01 đến 0.1uF từ chân Gate đến chân Cathode để l ọc nhiễu. Ngoài ra, tụ điện l ọc nhiễu cũng giúp tăng khả năng chịu đựng dv/dt của Thyristor.
1
Không kịp tản nhiệt
THYRISTOR
3
/ 12
2.4.
Đặc tính hoạt động của SCR :
Hình 4.4 – Đặc tính hoạt động của SCR Đặc tính hoạt động của TRIAC: TRIAC có khả năng dẫn điện theo 2 chiều cho nên thường được xem như 2 SCR ghép song song ngược chiều. Trên Hình 4.5 là kí hiệu của TRIAC và đặc tính hoạt động của TRIAC. Các miền kích dẫn của TRIAC được cho trên Hình 4.5(c). Miền I nhạy kích dẫn nhất và miền IV là kém nhạy kích dẫn nhất. 2.5.
(a) Kí hiệu
(b) Đặc tính hoạt động
(c) Miền kích dẫn
Hình 4.5 – Đặc tính hoạt động của TRIAC So với công tắc cơ, TRIAC có mộ t số ưu điểm như sau: -
Không bị hiện tượng dội công tắc hay phóng điện do tiếp điểm cơ
-
Khả năng đóng ngắt nhanh so v ới công tắc cơ như relay.
-
Có thể kích dẫn bằng nhiều nguồn khác nhau: AC, DC, xung …
THYRISTOR
4
/ 12
3. Mạch kích Thyristors:
Nhìn chung, để kích dẫn Thyristor, mạch kích cần phải cung cấp đủ năng lượng vào chân kích. Có r ất nhiều cách để thực hiện kích dẫn nhưng nhìn chung các mạch kích cần dòng điện đủ lớn và nhanh để đảm b ảo kích dẫn hoàn toàn, t ối thiểu hóa ảnh hưởng di/dt. Thông thườ ng mạch kích cần cung cấp cường độ dòng điện lớn gấp 3 l ần cường độ tối thiểu cần kích dẫn với sườn xung kích dưới 1us, độ r ộng xung kích lớn hơn 10 us. Hình 4.6 biểu thị mối quan hệ giữa độ rộng xung và cường độ dòng điện kích cần thiết cho một Thyristor. Để tính toán dòng kích dẫn, cần xét 2 yếu tố: Dòng kích IGT và điện áp kích VGT như trên Hình 4.4. Điểm kích dẫn (IGT,VGT) phải n ằm trong miền kích dẫn là miền gi ới hạn bởi các đường. Lưu ý là hai thông số dòng và áp này có h ệ số ảnh hưởng nhiệt âm, nghĩa là nhiệt độ tăng thì thì dòng IGT Hình 4.6 – Quan hệ xung kích và dòng kích Th yristor và áp VGT giảm. Cho nên khi tính toán, c ần xét IG và VGT ở nhiệt độ thấp nhất (250C). Ngoài ra, để đảm bảo Thyristor không dẫn, cần đảm bảo VGT ≤ 0.4V
Hình 4.7 - Yêu cầu dòng và áp kích của Thyristor
THYRISTOR
5
/ 12
Kích trực tiếp bằng điện trở
Kích trực tiếp bằng chân TTL ngõ ra c ột-chạm(1) Cấu trúc chân TTL ngõ ra c ột chạm như Hình 4.8(a), nguyên lý hoạt động như một mạch khuếch đại đảo kênh AB: Khi tín hiệu Vin mức logic [1] thì ngõ ra m ức logic [0] và ngượ c lại.
(a) Ngõ ra cột chạm
(b) Ngõ ra cực thu hở Hình 4.8 - Cấu trúc chân logic Đối với các Thyristor có đặc tính kích nhạy (dòng kích thấp dưới 200µA), có thể 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 bằng TTL ngõ ra c ột chạm Khi TTL logic [0]: Để dòng điện không vượt quá 16mA ở chân TTL: R1
1
VCC 16 mA
312
=> Chọn R1 = 330Ω
TTL with TOTEM-POLE output
THYRISTOR
6
/ 12
Khi TTL logic [1], điện áp tối thiểu 2.4V, do đó rơi áp qua R2 tối thiểu là (2.4V-VGT). Ngoài ra ta có: IR2
Như vậy ta được:
R2
2.4V VGT
I R2
I R1
2.4V 1V 7.9mA
VCC
2.4V
330 177 .
7.9 mA
Chọn R2 = 180Ω
Khi cần kích Thyristor bằng điện áp âm ta s ử dụng m ạch Error! Reference source not found. (c). dòng điện ở chân TTL không vượt quá 16mA, ta cần điện trở Rlim: RLIM
5V VGT
I OL
5V 1V 16mA
250 ,
Để
chọn RLIM = 270Ω
Kích trực tiếp bằng chân TTL ngõ ra c ực thu hở: Cấu trúc chân ngõ ra cực thu để h ở như (b). Để s ử d ụng chân ngõ ra cực thu để h ở, c ần g ắn thêm điện trở treo (lên hoặc xu ống). Các mạch kích trực ti ếp như Hình 4.10Error! Reference source not found. . Tính toán và thông s ố ngõ ra tương tự như kiểu TTL ngõ ra c ột chạm.
(b) Kích mức thấp (a) Kích mức cao Hình 4.10 – Kích trực tiếp bằng chân TTL cực thu hở Kích Thyristor sử dụng transistor đệm dòng: Khi kích Thyristor cần dòng kích lớn vượt quá đáp ứng của chân TTL, ta c ần “đệm dòng” bằng một hoặc nhiều transistor. Nh ững mạch sau minh họa một số cách kích Thyristor s ử dụng transistor.
Transistor BJT kích nối tiếp Thyristor Transistor BJT kích nối tiếp Thyristor mức logic [0], miền I và miền IV mức logic [1], miền I và miền IV Hình 4.11 – Mạch kích Thyristor dùng transistor BJT đệ m
Các điện tr ở R 1, R 3, và R5 ổn định hoạt động m ạch (có thể không cần thiết). Điện tr ở R 4 kích Thyristor khi Q1 dẫn
THYRISTOR
7
/ 12
R4 MAX
VCC
VCE ( SAT )
VGT
I GTMIN
Điện tr ở R 2 kích Q1 d ẫn. Giá trị R 2 c ần gi ới h ạn sao cho dòng IB c ủa Q 1 không vượt quá giá trị c ực đại IBMAX R2 MIN
(a) Transistor BJT kích n ối tiếp Thyristor mức logic [1], mi ền II và miền III
VCC
VBE
VGT
I BMAX
(b) Transistor BJT kích n ối tiếp Thyristor mức logic [0], mi ền II và miền III
(d) Transistor BJT kích song song Thyristor (c) Transistor BJT kích song song Thyristor mức logic [1], mi ền II và miền III mức logic [0], miền I và miền IV Hình 4.12 – Các dạng mạch kích dùng transistor đệm dòng Kích Thyristor sử dụng Opto cách ly:
Để cách ly điện giữa phần tử điều khiển và phần tử công suất, ta sử dụng Opto quang như Hình 4.13
Hình 4.13 – Kích Thyristor bằng opto chuyên dụng Nguyên lý ho ạt động r ất đơn giản: Phần t ử điều khiển kích LED sáng, LED sáng kích Photo Triac d ẫn. Photo triac kích chân G c ủa Triac công su ất. Điện trở R giới hạn dòng kích. THYRISTOR
8
/ 12
Kích Thyristor sử dụng biến áp cách ly
Giao tiếp vi điề u khiển kích Triac:
Chân ngõ ra vi điều khiển thường tương thích chuẩn TTL nên về cơ bản giao tiếp giao tiếp VĐK với Thyristor là 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 bằng vi điều khiển có cách ly opto Ví dụ tính toán các giá tr ị điện trở cho mạch kích Hình 4.14(a). Một loại VĐK có các đặc trưng dòng điện và điện áp như sau: I OHMAX = 300uA (VOH = 2.4V) ; IOLMAX = 1.8mA (VOL = 0.4V) ; V CC = 5V. Transistor đệm có dòng IC = 10mA (để kích MOC3011) và dòng điện kích IB = 0.75mA ; VCE(SAT) = 0.1V. Ta có I OL
VCC R1
I OLMAX R1
VCC I OLMAX
2.77 k ;
Chọn R1= 3KΩ , 1/4W
Với dòng điện kích IB = 0.75mA, điện áp tại ngõ ra chân kích V OH = VCC – IB.R1 = 5 – 0.75 x 3k = 2.75V R2
R3 hạn dòng qua LED:
2.75
R3
IB
B
BE
2.75
5 VCE ( SAT ) 10mA
0.75
0.75 VF
2.66 k
; Chọn R2 = 2.7kΩ , 1/4W
5 0.1 1.2 10mA
370
Điều khiển kích Thyristor: Có hai kỹ thuật điều khiển Thyristor là điều khiển đóng-mở và điều khiển phase. Trong k ỹ thuật điều khiển đóng-mở (Hình 4.15), Thyristor kích t ải đóng-mở liên tục theo một chu kì nào đó (thường lớn hơn chu kì dòng điện). Công suất qua tải được thay đổi b ằng cách thay đổi t ỷ l ệ th ời gian đóng và thời gian mở trong chu kì. Ví dụ Thyristor đóng tải nhiệt trở trong 2 phút và ngắt tải trong 1 phút trong chu kì 3.1.
THYRISTOR
9
/ 12
đóng ngắt 3 phút. Trong kỹ thuật điều khiển phase, Thyristor được kích dẫn tại những thời điểm khác nhau của chu kì dòng điện gọi là góc kích. Việc thay đổi góc mở sẽ thay đổi công suất qua tải. 2
Công suất tải được 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 c ảm như mô-tơ, cuộn dây có đặ c tính dòng điện và điện th ế không cùng phase (hình ). Khi TRIAC dẫn dòng điện AC, trong mỗi chu k ỳ có m ột khoảng thời gian dòng điện ti ến v ề 0 (dòng điện hình sin) làm cho TRIAC ngưng dẫn và dẫn lại khi có dòng điện. Chính sự l ệch phase giữa dòng điện và điện áp làm cho khi dòng điện rơi dướ i mức giữ (holding current), TRIAC không dẫn, nhưng điện áp đặt lên TRIAC vẫn t ồn t ại m ột m ức nào đó (dòng điện s ớm phase hơn điện áp). Hệ qu ả là khi tốc độ tăng điện áp dv/dt này đạt mức nào đó sẽ làm cho TRIAC kích dẫn không mong muốn và quá trình điều khiển thất bại. Để giới hạn giá trị dv/dt này, người ta mắc song song v ới TRIAC một mạch RC gọi là Snuber Network. Điện áp được n ạp vào tụ CS làm giảm giá trị dv/dt qua TRIAC. Điện trở RS giới h ạn dòng tức thời qua tụ CS và giảm độ dung kháng cho tải cảm.
THYRISTOR
10
/ 12
Hình 4.17- 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 ) dV / dt
C S 25L.
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 not found. , TRIAC loại BTA12, tải R=100Ω, điện xoay chiều hình sin 60Hz, VRMS = 220V. Hãy chọn lựa transistor kích, tính toán giá tr ị điện trở trong mạch và: (a) Mô phỏng mạch bằng proteus để so sánh giá tr ị tính toán và giá tr ị mô phỏng (b)
Đưa ra các đồ th ị đóng ngắt ngõ vào (TTL) – ngõ ra (tải), dòng IB, dòng IG, áp qua thyristor, áp qua transistor, công suất qua thyristor, công su ất qua transistor, công su ất qua các điện trở.
2. Cho mạch kích như Hình 4.14(a),(b), MCU là vi điều khiển s ử d ụng PIC, Opto sử d ụng MOC3041, TRIAC loại BTA12. Hãy chọn transistor theo b ảng phụ lục và tính các điện trở trong mạch và (a) Mô phỏng mạch bằng proteus để so sánh giá tr ị tính toán và giá tr ị mô phỏng (b)
Đưa ra các đồ th ị đóng ngắt ngõ vào (TTL) – ngõ ra (tải), dòng IB, dòng IG, áp qua thyristor, áp qua transistor, công suất qua thyristor, công su ất qua transistor, công su ất qua các điện trở.
THYRISTOR
11
/ 12
Project đọc tài liệu [1] Datasheet Ratings for Thyristors
– Semikron
[2] Thyristor and Rectifier Dimensioning and Selection [3] Fault behaviour and Diode-Thyristor protection
– Semikron
– Semikron (26p)
[4] Triggering and gate characteristics of Thyristors – Teccor Electronics
THYRISTOR
12
/ 12
