Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT (Phần 5)

ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT

BMĐT

GVPT: Hồ Trung Mỹ

Mô n học: Dụng cụ bá n dẫn

Chương 5

BJT

1

5.10 Thyristor và cá c dụng cụ

liên quan

2

1

Giới thiệu

• Thyristor là 1 dụng cụ cô ng suất quan trọng mà được thiết

kế để xử lý điện á p cao và dò ng điện lớn. Thyristor được

sử dụng chí nh cho cá c ứng dụng chuyển mạch mà cần

dụng cụ đổi từ trạng thá i tắt hay chặn sang trạng thá i mở

hay dẫn, hoặc ngược lại. Cơ chế chuyển mạch trong

thyristor khá c với BJT.

• Do cấu trúc của dụng cụ thyristor có dải trị số làm việc của

dò ng và á p rộng hơn nhiều so với BJT. Hiện nay có cá c

thyristor có định mức dò ng điện từ vài mA đến hơn 5000A

và định mức điện á p trên 10KV.

• Thyristor là dụng cụ 3 cực và có 4 lớp bá n dẫn, tên thương

mại của thyristor là SCR (Silicon Controlled Rectifier) do

hã ng GE đặt.

3

Cá c ký hiệu sơ đồ mạch của Thyristor

Tên dụng cụ

Ký hiệu

4

2

5.10.1 Đặc tí nh cơ bản

• Hì nh kế (a) cho thấy mặt cắt ngang của cấu trúc thyristor, nó

là dụng cụ 4 lớp p-n-p-n với 3 chuyển tiếp mắc nối tiếp: J1,

J2, và J3. Điện cực tiếp xúc với lớp p bên ngoài là được gọi

là anode(A) và với lớp n bên ngoại được gọi là cathode(K).

Cấu trúc này (khô ng có thêm điện cực nào) là dụng cụ 2 cực

và được gọi là diode p-n-p-n. Nếu có thêm điện cực, được

gọi là điện cực cổng G (gate), được nối vào lớp p bên trong

(p2), kết quả là ta có dụng cụ 3 cực là SCR (semiconductor

controlled rectifier) hay thyristor.

• Hì nh kế (b) cho thấy nồng độ tạp chất tại cá c lớp của SCR,

hì nh(c) cho thấy giản đồ năng lượng của SCR ở điều kiện

câ n bằng. Chú ý là mỗi chuyển tiếp có miền nghè o với điện

thế nội được xá c định bởi cá c nồng độ tạp chất pha trong

5

SCR.

Diode 4 lớp p-n-p-n

a) Cấu trúc của

diode 4 lớp p-n-p-n

b) Nồng độ tạp chất tại

cá c lớp của SCR

c) Giản đồ năng lượng

6

3

Đặc tuyến dò ng-á p của diode p-n-p-n

(Dẫn thuận)

(Chặn ngược)

(Chặn thuận)

7

Đặc tuyến dò ng-á p của diode p-n-p-n (..)

Có 5 miền trong đặc tuyến I-V:

• 0-1: Dụng cụ ở trạng thá i tắt (off) hay chặn thuận và có tổng trở

tất cao. Chuyển trạng thá i (hay chuyển mạch) xảy ra ở chỗ dV/dI

= 0; và ở điểm 1 ta định nghĩa điện á p V_BF(hay V_FB-FB=forward-

breakover ), và dò ng chuyển mạch I_S.

• 1-2: Dụng cụ ở trong miền điện trở â m, nghĩa là khi dò ng tăng

thì á p giảm.

• 2-3: Dụng cụ ở trạng thá i dẫn (on) hay dẫn thuận và có tổng trở

thấp. Ở điểm 2, với dV/dI = 0, ta định nghĩa dò ng giữ (holding

current) I_h(hay I_H) và điện á p giữ V_h(hay V_H).

• 0-4: Dụng cụ ở trạng thá i chặn ngược.

8

• 4-5: Dụng cụ ở miền đá nh thủng ngược.

4

Biểu diễn SCR bằng 2 BJT

•

Như vậy diode p-n-p-n làm việc ở miền thuận là dụng cụ lưỡng ổn

(bistable device) mà có thể chuyển từ trạng thá i tắt (off) dò ng thấp,

tổng trở cao sang trạng thá i dẫn (on) dò ng cao, tổng trở thấp, hoặc

ngược lại.

Để hiểu đặc tí nh chặn thuận, ta xé t dụng cụ như 2 BJT nối theo

cá ch sau:

9

• Dò ng nền của BJT PNP (BJT 1 có =₁)

với I₁là dò ng rĩ I_CBOcủa BJT 1.

• Dò ng thu của BJT NPN (BJT 2 có =₂)

với I₂là dò ng rĩ I_CBOcủa BJT 2.

• Vì I_B1= I_C2, ta suy ra được

10

5

11

Bề rộng miền nghè o và sụt á p trên thyristor

ở các điểm làm việc khá c nhau

Câ n bằng

Chặn thuận

Dẫn thuận

12

Dẫn ngược

6

Cấu tạo của SCR

Cấu tạo của SCR 3 cực planar

13

Mặt cắt ngang 1 chiều của SCR planar

14

7

15

Ảnh hưởng của dò ng cổng I_G

Khi dò ng cổng I_Gtăng thì điện á p chuyển V_BFgiảm

16

8

TD: Ứng dụng SCR để điều khiển

cô ng suất ra tải

17

Hì nh dạng thực tế của Thyristor

18

9

19

Characteristics of thyristors

20

10

Ways to turn-on thyristors

21

Considerations on gating signals

22

11

Thyristor turn-off characteristics

23

Thyristor Turn Off

24

12

Thyristor Turn-Off: Line-Commutated Thyristor Circuit

25

Thyristor Turn-Off: Forced-Commutated Thyristor Circuit

Turn-off time tq: minimum value

of time interval between the

instant when the onstate current

has decreased to zero and the

instant when the thyristor is

capable of withstanding forward

voltage without turning on again.

26

13

The SCR can be turned on at its gate terminal.

With a dc

source, the

SCR stays

on after

Anode

Load

Cathode

it is gated.

Gate

Gate pulse

occurs here

Time

27

With an ac

source, the

SCR turns

off at the

Anode

Load

Cathode

zero-crossing.

Gate

off

on

Gate pulse

occurs here

Time

Turns off here

28

14

The gate can

be pulsed for

each positive

alternation.

Anode

Load

Cathode

Gate

Time

29

The average

load current

can be

Anode

Load

decreased

by gating

Cathode

Gate

the SCR later.

Time

30

15

…. and later.

Anode

Load

Cathode

Gate

Time

31

…. or, not

at all.

Anode

Load

Cathode

Gate

No gate pulses: I_Load= 0

Time

0

32

16

Major Kinds of Thyristors

33

Cá c ứng dụng cơ bản của SCR

34

17

35

36

18

Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT (Phần 5) - Hồ Trung Mỹ