Thyristor là gì?

Thyristor (/θaɪˈrɪstər/, từ sự kết hợp của tiếng Hy Lạp θύρα, nghĩa là “cửa” hoặc “van”, và transistor) là một thiết bị bán dẫn trạng thái rắn, có thể được coi như một diode có khả năng chịu tải cao và có thể chuyển mạch, cho phép dòng điện đi qua theo một chiều nhưng không đi theo chiều ngược lại, thường được điều khiển bởi một điện cực cổng. Thiết bị này được sử dụng trong các ứng dụng công suất lớn như bộ biến tần và máy phát radar. Nó thường gồm bốn lớp vật liệu P- và N- xen kẽ, hoạt động như một công tắc hai trạng thái hoặc như một khóa.

Lịch sử phát triển

Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR) hay thyristor, được William Shockley đề xuất vào năm 1950 và được Moll cùng các cộng sự tại Bell Labs thúc đẩy, đã được các kỹ sư công suất tại General Electric (GE), do Gordon Hall dẫn đầu, phát triển vào năm 1956 và được thương mại hóa bởi Frank W. “Bill” Gutzwiller của GE.

Năm 1960, Transistor Electronic Corporation đã tiếp thị một tetrode PNPN với hệ số khuếch đại dòng điện cao vào thời điểm đó, được gọi là Binistor. Thiết bị này được dự đoán có thể ứng dụng cả trong mạch chuyển mạch và mạch lưu trữ dữ liệu. Một bài báo nghiên cứu sử dụng tetrode của Transitron đã minh họa một mạch nguồn chế độ chuyển mạch (“switched-mode power supply”) “đặc biệt”.

Trước đó, một thiết bị ống khí gọi là thyratron cung cấp khả năng chuyển mạch điện tử tương tự, nơi một điện áp điều khiển nhỏ có thể bật/tắt một dòng điện lớn. Thuật ngữ “thyristor” được hình thành từ sự kết hợp của “thyratron” và “transistor”.

Trong những năm gần đây, một số nhà sản xuất đã phát triển thyristor sử dụng carbide silic (SiC) làm vật liệu bán dẫn. Những thyristor này được ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao, có khả năng hoạt động ở nhiệt độ lên đến 350°C.

Thiết kế Thyristor

Thyristor là một thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp, trong đó mỗi lớp gồm vật liệu loại N hoặc loại P xen kẽ, ví dụ P-N-P-N.

Các cực chính, được gọi là anode và cathode, nằm hai đầu toàn bộ bốn lớp.

Cực điều khiển, gọi là gate, được gắn vào vật liệu loại P gần cathode. (Một biến thể gọi là SCS — silicon controlled switch — đưa tất cả bốn lớp ra các cực).

Hoạt động của thyristor có thể được hiểu thông qua hai transistor lưỡng cực liên kết chặt chẽ, được sắp xếp để tạo ra hành vi khóa tự động (self-latching).

Thyristor có ba trạng thái:

• Chế độ chặn ngược: Điện áp được áp dụng theo hướng mà diode sẽ chặn.
• Chế độ chặn thuận: Điện áp được áp dụng theo hướng mà diode sẽ dẫn, nhưng thyristor chưa được kích hoạt để dẫn điện.
• Chế độ dẫn thuận: Thyristor đã được kích hoạt dẫn điện và sẽ duy trì dẫn cho đến khi dòng thuận giảm xuống dưới giá trị ngưỡng gọi là dòng giữ (holding current).

Cực cổng

Thyristor có ba tiếp giáp p-n (được đặt tên nối tiếp là J1, J2, J3 tính từ cực anot).

Khi anot ở điện thế dương VAK so với cực catot và không có điện áp đặt vào cực cổng, tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận, trong khi tiếp giáp J2 được phân cực ngược.

Vì J2 được phân cực ngược, không có sự dẫn điện xảy ra (trạng thái tắt). Bây giờ, nếu VAK tăng vượt quá điện áp đánh thủng VBO của thyristor, sự đánh thủng J2 sẽ xảy ra và thyristor bắt đầu dẫn điện (trạng thái bật).

Đặc tính đóng ngắt

Trong một thyristor thông thường, sau khi được đóng bởi cực cổng, thiết bị vẫn duy trì trạng thái chốt ở trạng thái bật (tức là không cần dòng cổng liên tục để duy trì trạng thái bật), miễn là dòng điện anode vượt quá dòng chốt (IL). Chừng nào anode vẫn còn phân cực dương, nó không thể bị ngắt trừ khi dòng điện giảm xuống dưới dòng điện giữ (IH). Trong điều kiện làm việc bình thường, dòng chốt luôn lớn hơn dòng điện giữ. Trong hình trên, IL phải nằm trên IH theo trục y vì IL>IH.

Tần số

Thyristor được thiết kế cho các ứng dụng tần số thấp, tức là dưới 1 kHz. Đối với các tần số cao hơn so với nguồn điện AC dân dụng (ví dụ 50 Hz hoặc 60 Hz), cần sử dụng thyristor có giá trị thời gian tQ thấp hơn.

Các thyristor nhanh như vậy có thể được chế tạo bằng cách khuếch tán các ion kim loại nặng như vàng hoặc bạch kim vào silic, các ion này hoạt động như các trung tâm kết hợp điện tích.

Hiện nay, các thyristor nhanh thường được sản xuất bằng chiếu xạ điện tử hoặc proton lên silic, hoặc bằng phương pháp cấy ion. Chiếu xạ linh hoạt hơn so với pha tạp kim loại nặng vì cho phép điều chỉnh liều lượng theo các bước nhỏ, ngay cả ở giai đoạn cuối trong quá trình xử lý silic.

Các loại Thyristor

• AGT: Thyristor có cực gate trên lớp n gần cực anode.
• ASCR: SCR bất đối xứng.
• BCT: Thiết bị chuyển mạch hai chiều chứa hai cấu trúc thyristor với các tiếp điểm gate riêng biệt.
• BOD: Thyristor không có gate, kích hoạt bởi dòng avalanche.
• DIAC: Thiết bị kích hai chiều.
• Dynistor: Thiết bị chuyển mạch một chiều.
• Shockley diode: Thiết bị kích và chuyển mạch một chiều.
• SIDAC: Thiết bị chuyển mạch hai chiều.
• Trisil, SIDACtor: Thiết bị bảo vệ hai chiều.
• BRT: Thyristor điều khiển bằng điện trở cơ sở.
• ETO: Thyristor tắt bằng cực phát.
• GTO: Thyristor tắt bằng gate.
• DB-GTO: Thyristor GTO có gate phân phối.
• MA-GTO: Thyristor GTO cải tiến với gate ở anode.
• IGCT: Thyristor tích hợp gate.
• Ignitor: Bộ phát tia lửa cho mạch đánh lửa.
• LASCR / LTT: Thyristor kích hoạt bằng ánh sáng.
• LASS: Công tắc bán dẫn kích hoạt bằng ánh sáng.
• MCT: Thyristor chứa thêm hai cấu trúc FET để điều khiển bật/tắt.
• CSMT / MCS: Thyristor MOS composite.
• PUT / PUJT: Thyristor với gate trên lớp n gần anode, thay thế chức năng transistor unijunction.
• Quadrac: Thyristor đặc biệt kết hợp DIAC và TRIAC trong cùng một gói.
• RCT: Thyristor dẫn ngược.
• SCS: Thyristor với cả gate cathode và anode, kết hợp SCR và PUT trong cùng một thiết bị.
• SCR: Chỉnh lưu có điều khiển silicon.
• SITh / FCTh: Thyristor có cấu trúc gate để ngắt dòng anode.
• TRIAC: Thiết bị chuyển mạch hai chiều chứa hai cấu trúc thyristor với gate chung.

Các chế độ hỏng hóc của Thyristor

Ngoài các chế độ hỏng thông thường do vượt quá định mức điện áp, dòng điện hoặc công suất, thyristor còn có các chế độ hỏng đặc thù, bao gồm:

• Tăng dòng khi bật: Tốc độ tăng dòng điện khi thyristor được kích hoạt quá nhanh, vượt quá khả năng lan truyền của vùng dẫn điện chủ động. Hiện tượng này thường xảy ra với SCR và TRIAC.
• Ép tắt: Dòng hồi phục ngược đỉnh tạm thời gây ra sụt áp cao trong vùng dưới cathode, vượt quá điện áp đánh thủng ngược của mối nối diode gate-cathode. Chỉ xảy ra ở SCR.
• Tăng điện áp khi bật: Thyristor có thể bị kích hoạt ngẫu nhiên mà không cần tín hiệu gate nếu tốc độ tăng điện áp giữa anode và cathode quá lớn.

Ứng dụng

Mạch Snubber

Thyristor có thể bị kích hoạt bởi tốc độ tăng điện áp cao khi ở trạng thái tắt (off-state). Khi điện áp off-state giữa anode và cathode của thyristor tăng, sẽ xuất hiện dòng điện tích tương tự như dòng sạc của một tụ điện.

Thông số tốc độ tăng điện áp tối đa khi ở trạng thái tắt (dV/dt rating) của thyristor là rất quan trọng, vì nó xác định tốc độ tăng điện áp tại anode tối đa mà vẫn không làm thyristor dẫn điện khi không có tín hiệu từ gate.

So sánh với các linh kiện khác

Hạn chế chức năng của thyristor là, giống như diode, nó chỉ dẫn điện một chiều nên không thể sử dụng an toàn với dòng AC. Một thiết bị tự khóa 5 lớp tương tự, gọi là TRIAC, có khả năng hoạt động theo cả hai chiều. Tuy nhiên, khả năng bổ sung này đôi khi cũng có thể trở thành nhược điểm.

Mặc dù thyristor được sử dụng rộng rãi trong việc chỉnh lưu AC sang DC ở công suất megawatt, trong các ứng dụng công suất thấp và trung bình (từ vài chục watt đến vài chục kilowatt) chúng gần như đã được thay thế bởi các thiết bị khác có đặc tính chuyển mạch vượt trội như MOSFET công suất hoặc IGBT.

Một vấn đề chính liên quan đến SCR là chúng không phải là công tắc có thể kiểm soát hoàn toàn. Các thiết bị GTO thyristor và IGCT là hai thiết bị liên quan đến thyristor giải quyết được vấn đề này.

Trong các ứng dụng tần số cao, thyristor là lựa chọn kém do thời gian chuyển mạch dài phát sinh từ dẫn điện lưỡng cực. Ngược lại, MOSFET có khả năng chuyển mạch nhanh hơn nhiều nhờ dẫn điện đơn cực (chỉ các hạt tải đa số dẫn dòng điện).