Thiết bị và thông số của thyristor
Thyristor là một thiết bị bán dẫn có ba (hoặc nhiều hơn) mối nối p-n, đặc tính dòng điện-điện áp của nó có tiết diện điện trở vi sai âm và được sử dụng để chuyển mạch trong các mạch điện.
Thyristor đơn giản nhất có hai đầu ra là thyristor đi-ốt (dynistor). Thyristor triode (SCR) còn có điện cực thứ ba (điều khiển). Cả thyristor diode và triode đều có cấu trúc bốn lớp với ba điểm nối p–n (Hình 1).
Vùng cuối p1 và n2 lần lượt được gọi là cực dương và cực âm, một điện cực điều khiển được nối với một trong các vùng giữa p2 hoặc n1. P1, P2, P3- chuyển tiếp giữa các vùng p và n.
Nguồn E của điện áp cung cấp bên ngoài được nối với cực dương có cực dương so với cực âm. Nếu dòng điện Iу qua điện cực điều khiển của thyristor triode bằng không, thì hoạt động của nó không khác với hoạt động của điốt. Trong một số trường hợp, thật thuận tiện khi biểu diễn thyristor dưới dạng một mạch tương đương với hai bóng bán dẫn, sử dụng các bóng bán dẫn có các loại độ dẫn điện p-n-p và n-R-n khác nhau (Hình 1, b).
Quả sung. 1.Cấu trúc (a) và mạch tương đương hai bóng bán dẫn (b) của thyristor ba cực
Như có thể thấy từ hình. 1, b, chuyển tiếp P2 là chuyển tiếp cực góp chung của hai bóng bán dẫn trong mạch tương đương, và chuyển tiếp P1 và P3 là các mối nối bộ phát. Khi điện áp thuận Upr tăng (điều này đạt được bằng cách tăng emf của nguồn điện E), dòng điện thyristor tăng nhẹ cho đến khi điện áp Upr đạt đến một giá trị tới hạn nhất định của điện áp đánh thủng, bằng với điện áp bật Uin (Hình. . 2).
Cơm. 2. Đặc tính dòng điện và ký hiệu thông thường của thyristor triode
Với sự gia tăng hơn nữa của điện áp Upr dưới tác động của điện trường tăng trong quá trình chuyển đổi P2, người ta quan sát thấy sự gia tăng mạnh số lượng hạt mang điện được hình thành do quá trình ion hóa va chạm trong quá trình va chạm của hạt mang điện với các nguyên tử. Kết quả là, dòng điện trong lớp tiếp giáp tăng nhanh khi các electron từ lớp n2 và các lỗ trống từ lớp p1 lao vào lớp p2 và n1 và bão hòa chúng bằng các hạt mang điện thiểu số. Khi tăng thêm EMF của nguồn E hoặc giảm điện trở của điện trở R, dòng điện trong thiết bị tăng theo tiết diện dọc của đặc tính I - V (Hình 2)
Dòng điện thuận tối thiểu mà thyristor vẫn bật được gọi là dòng điện giữ Isp. Khi dòng điện thuận giảm xuống giá trị Ipr < Isp (nhánh giảm dần của đặc tính I — V trong Hình 2), điện trở cao của kết nối được phục hồi và thyristor tắt. Thời gian phục hồi điện trở của tiếp giáp p - n thường là 1 - 100 µs.
Điện áp Uin tại đó bắt đầu tăng dòng điện giống như tuyết lở có thể giảm bằng cách đưa thêm các hạt mang điện thiểu số vào mỗi lớp liền kề với tiếp giáp P2. Các hạt mang điện bổ sung này làm tăng số lượng tác động ion hóa trong tiếp giáp P2 p-n và do đó điện áp bật Uincl giảm.
Các hạt tải điện bổ sung trong thyristor ba cực như trong Hình. 1, được đưa vào lớp p2 bằng một mạch phụ được cấp nguồn bởi một nguồn điện áp độc lập. Mức độ mà điện áp bật giảm khi dòng điều khiển tăng được thể hiện bằng họ các đường cong trong Hình. 2.
Chuyển sang trạng thái mở (bật), thyristor không tắt ngay cả khi dòng điều khiển Iy giảm về không. Có thể tắt thyristor bằng cách giảm điện áp bên ngoài xuống một giá trị tối thiểu nhất định, tại đó dòng điện trở nên nhỏ hơn dòng điện giữ hoặc bằng cách cung cấp một xung dòng điện âm cho mạch của điện cực điều khiển, tuy nhiên, giá trị của nó , tương xứng với giá trị của Ipr hiện tại của công tắc thuận.
Một thông số quan trọng của thyristor triode là dòng điện điều khiển mở khóa Iu bật — dòng điện của điện cực điều khiển đảm bảo chuyển mạch thyristor ở trạng thái mở. Giá trị của dòng điện này đạt tới vài trăm miliampe.
Quả sung. Trong hình 2, có thể thấy rằng khi một điện áp ngược được đặt vào thyristor, một dòng điện nhỏ sẽ xuất hiện trong nó, vì trong trường hợp này, các chuyển tiếp P1 và P3 được đóng lại. Để tránh hư hỏng thyristor theo chiều ngược lại (khiến thyristor ngừng hoạt động do sự cố nhiệt của hành trình), điện áp ngược cần phải nhỏ hơn Urev.max.
Trong các thyristor diode và triode đối xứng, đặc tính I - V nghịch đảo trùng với đặc tính thuận. Điều này đạt được bằng kết nối chống song song của hai cấu trúc bốn lớp giống hệt nhau hoặc bằng cách sử dụng cấu trúc năm lớp đặc biệt với bốn tiếp giáp p-n.
Cơm. 3. Cấu trúc của một thyristor đối xứng (a), sơ đồ biểu diễn của nó (b) và đặc tính dòng điện-điện áp (c)
Hiện tại, thyristor được sản xuất cho dòng điện lên tới 3000 A và điện áp bật lên tới 6000 V.
Nhược điểm chính của hầu hết các thyristor là khả năng điều khiển không đầy đủ (thyristor không tắt sau khi loại bỏ tín hiệu điều khiển) và tốc độ tương đối thấp (hàng chục micro giây). Tuy nhiên, gần đây, các thyristor đã được tạo ra trong đó nhược điểm đầu tiên đã được loại bỏ (khóa thyristor có thể được tắt bằng dòng điện điều khiển).
Potapov L.A.