Thyristor là gì ? Với nhiều người Thyristor còn khá lạ lẫm vì nó là 1 từ ngữ chuyên ngành. Thyristor có tên đầy đủ là Silicon Controlled Rectifier (SCR). Trong lĩnh vực điện tử và điều khiển công suất, thyristor là một thành phần quan trọng có khả năng điều khiển dòng điện lớn và ứng dụng công suất cao.

Định nghĩa

Thyristor có tên đầy đủ là Silicon Controlled Rectifier (SCR), nó còn được biết đến rộng rãi với tên gọi chỉnh lưu silic có điều khiển, là một phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn và có khả năng điều khiển dòng điện. Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và có vai trò quan trọng trong chỉnh lưu dòng điện.

Thực chất Thyristor là sự kết hợp của hai transistor có hai chiều đối nghịch, tạo thành một loại diodecó khả năng điều khiển. Thiết bị này hoạt động khi được cấp điện và tự động ngắt, trở về trạng thái ngưng dẫn khi không có dòng điện.

Cấu tạo của Thyristor gồm ba cực hoạt động là Anode (A), Cathode (K) và Cực điều khiển (G). Cực điều khiển đóng vai trò như một khóa điện tử, chỉ cho phép dòng điện dẫn từ Anot tới Katot khi được kích thích bằng một dòng điện vào chân điều khiển (G).

Thyristor được sử dụng phổ biến trong ứng dụng điện tử, đặc biệt trong việc chỉnh lưu dòng điện có điều khiển. Nó cho phép kiểm soát dòng điện một chiều và được sử dụng trong các mạch điều khiển tốc độ động cơ, mạch điều khiển ánh sáng, mạch biến đổi điện áp và nhiều ứng dụng khác.

Thyristor được William Shockley đề xuất và được Moll cùng một số người khác  bảo vệ tại phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ) vào những năm 1950. Nó được phát triển lần đầu bởi các kỹ sư năng lượng đầy tài năng của General Electric (G.E), dưới sự dẫn dắt của Gordon Hall và thương mại hóa bởi Frank W. “Bill” Gutzwiller của General Electric năm 1957. Kể từ đó, thyristor đã tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, trở thành một thành phần quan trọng trong công nghệ điện tử và điện năng.

Lịch sử phát triển

Vào những năm 1950, Thyristor được đề xuất bởi William Shockley. Chúng được bảo vệ bởi Moll cùng một số người khác ở trong phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ). Thyristor được phát triển lần đầu bởi các kỹ sư năng lượng của General Electric (G.E) mà người đứng đầu là Gordon Hall và thương mại hóa bởi Frank W. “Bill” Gutzwiller của General Electric vào năm 1957.

Cấu tạo Thyristor

Thyristor có cấu tạo gồm có 3 cực như sau : Anode (A), cathode (K), cực điều khiển (G), Thyristor đóng vai trò như một khóa điện tử có điều khiển bằng điện. Đặc tính của Thyristor chỉ cho phép dẫn điện từ Anode (A) sang Cathode (K) khi cho một dòng điện kích thích vào chân G.

Thyristor được cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn nối xen kẽ và được nối ra 3 chân như sau :

• A : anode — cực dương
• K : Cathode — cực âm
• G : Gate — cực điều khiển (cực cổng)

Cấu tạo của Thyristor được mô tả theo 3 góc nhìn : Lớp bán dẫn – ký hiệu trên bo mạch – mạch điều khiển

Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau. một dòng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫn phát khởi dòng điện anod IA qua SCR lớn hơn nhiều.

Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối với catod, cục âm nối với anod) sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng điện kích IG. Như vậy ta có thể hiểu SCR như một diode nhưng có thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải có dòng điện kích IG vào cực cổng.

Ta thấy SCR có thể coi như tương đương với hai transistor PNP và NPN liên kết nhau qua ngõ nền và thu.

Khi có một dòng điện nhỏ IG kích vào cực nền của Transistor NPN T1 tức cực cổng G của SCR. Dòng điện IG sẽ tạo ra dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại chính là dòng nền của IB2 của transistor PNP T2 nên tạo ra dòng thu IC2 lại lớn hơn trước… Hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hòa. Dòng bảo hòa qua hai transistor chính là dòng anod của SCR. Dòng điện này tùy thuộc vào VAA và điện trở tải RA.

Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần tồn tại trong thời gian ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của SCR so với transistor.

Người ta chỉ có thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAA sao cho dòng điện qua SCR nhỏ hơn một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là dòng điện duy trì IH (hodding current).

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của thyristor có thể được diễn giải chi tiết như sau:

Trường hợp 1: Phân cực ngược Thyristor

Khi nối Anode (A) với cực âm và nối Cathode (K) với cực dương của nguồn VCC, thyristor tương tự như một diode bị phân cực ngược. Trạng thái này không cho phép dòng điện đi qua thyristor, chỉ có dòng rất nhỏ đi qua. Tuy nhiên, khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn, thyristor sẽ bị đánh thủng và dòng điện sẽ chảy từ K tới A theo chiều ngược lại. Điện áp ngược đủ để đánh thủng thyristor được gọi là VBR (điện áp đánh thủng ngược). Thông thường, giá trị VBR và VBO (điện áp ngập) bằng nhau và ngược dấu.

Trường hợp 2: Cực G để hở (VG = OV)

Khi cực G không có phân cực (VG = 0), transistor T1 và T2 đều không dẫn điện. Trong tình huống này, thyristor không dẫn điện và dòng điện IA = 0, điện áp giữa A và K (VAK) gần bằng VCC.

Tuy nhiên, khi điện áp nguồn VCC tăng lên đáng kể và VAK tăng đến điện áp ngập (VBO), thyristor sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện. Khi VAK giảm nhanh, dòng điện ứng với lúc này được gọi là dòng điện duy trì (IH). Sau đó, thyristor hoạt động như một diode nắn điện.

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm nổi bật của Thyristor là gì? Ngay sau đây, chúng ta hãy cùng điểm qua những ưu điểm nổi bật của Thyristor, hay còn được gọi là bộ chỉnh lưu điều khiển silic, viết tắt SCR:

• Thyristor cho phép người dùng có thể xử lý dòng điện, điện áp với công suất cực lớn.
• Sử dụng Thyristor sẽ giúp bảo vệ cầu chi cho gia đình, nhà máy, xưởng sản xuất, đảm bảo an toàn tuyệt đối.
• Thực tế, thao tác sử dụng Thyristor vô cùng đơn giản, rất dễ bật. Mạch kích hoạt của Thyristor cũng vô cùng đơn giản nên dễ dàng trong việc kiểm soát.
• So với mặt bằng chung thì sử dụng Thyristor sẽ tiết kiệm nhiều chi phí hơn.4
• Thyristor cho phép người dùng có thể điều khiển nguồn điện xoay chiều một cách nhanh chóng.

Ngoài những ưu điểm kể trên, hãy cùng nhau tìm hiểu những nhược điểm của Thyristor là gì ngay sau đây:

• Thyristor là thiết bị một chiều, có thể điều khiển công suất bằng nguồn một chiều trong nửa chu kỳ dương của nguồn điện xoay chiều.
• Trong mạch xoay chiều, để Thyristor hoạt động thì cần phải bật lên trên mỗi chu kỳ.
• Thyristor không thể sử dụng ở tần số cao được.
• Dòng điện ở cổng không được phép âm.

Các thông số kỹ thuật chính

Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor (Iv, tb)

Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor là giá trị trung bình được phép chạy qua Thyristor trong điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn không vượt quá một giá trị nhiệt độ cho phép. Trên thực tế, giá trị dòng điện cho phép chạy qua Thyristor không cố định mà nó phụ thuộc vào điều kiện làm mát và môi trường.

Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung, max)

Đây là mức điện áp ngược lớn có thể sử dụng trên Thyristor mà không khiến Thyristor bị hỏng. Chính vì vậy, chúng ta phải luôn đảm bảo rằng điện áp giữa Anode và Cathode luôn nhỏ hơn hoặc bằng mức điện áp ngược cho phép lớn nhất. Ngoài ra, chúng ta cũng cần đảm bảo độ dự trữ nhất định về điện áp (Ung, max phải ít nhất là bằng 1,2 – 1,5 lần biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ).

Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor τ (μs)

Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode và cathode của Thyristor sau khi dòng anode-cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp Uak dương mà Thyristor vẫn khóa. Thông thường, ta phải đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5-2 lần τ.

Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)

Bởi vì Thyristor là một linh kiện bán dẫn có điều khiển nên cho dù khi Thyristor được phân cực thuận mà không có tín hiệu điều khiển thì nó cũng không cho phép dòng chạy qua. Tốc độ tăng điện áp là một thông số để phân biệt giữa Thyristor tần số thấp với Thyristor tần số cao. Ở Thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn với các Thyristor tần số cao dU/dt có thể lên tới 500-2000 V/μs.

‍