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

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5, Phần 5: BJT - Hồ Trung Mỹ

1. ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương 5 BJT 1 5.10 Thyristor và các dụng cụ liên quan 2 1
2. Giới thiệu • Thyristor là 1 dụng cụ công suất quan trọng mà được thiết kế để xử lý điện áp cao và dòng điện lớn. Thyristor được sử dụng chính cho các ứng dụng chuyển mạch mà cần dụng cụ đổi từ trạng thái tắt hay chặn sang trạng thái mở hay dẫn, hoặc ngược lại. Cơ chế chuyển mạch trong thyristor khác với BJT. • Do cấu trúc của dụng cụ thyristor có dải trị số làm việc của dòng và áp rộng hơn nhiều so với BJT. Hiện nay có các thyristor có định mức dòng điện từ vài mA đến hơn 5000A và định mức điện áp trên 10KV. • Thyristor là dụng cụ 3 cực và có 4 lớp bán dẫn, tên thương mại của thyristor là SCR (Silicon Controlled Rectifier) do hãng GE đặt. 3 Các ký hiệu sơ đồ mạch của Thyristor Tên dụng cụ Ký hiệu 4 2
3. 5.10.1 Đặc tính cơ bản • Hình 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 (không 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. • Hình kế (b) cho thấy nồng độ tạp chất tại các lớp của SCR, hình(c) cho thấy giản đồ năng lượng của SCR ở điều kiện cân bằng. Chú ý là mỗi chuyển tiếp có miền nghèo với điện thế nội được xác định bởi các nồng độ tạp chất pha trong SCR. 5 Diode 4 lớp p-n-p-n a) Cấu trúc của diode 4 lớp p-n-p-n b) Nồng độ tạp chất tại các lớp của SCR c) Giản đồ năng lượng 6 3
4. Đặc tuyến dòng-áp của diode p-n-p-n (Dẫn thuận) (Chặn ngược) (Chặn thuận) 7 Đặc tuyến dòng-áp của diode p-n-p-n ( ) Có 5 miền trong đặc tuyến I-V: • 0-1: Dụng cụ ở trạng thái tắt (off) hay chặn thuận và có tổng trở tất cao. Chuyển trạng thái (hay chuyển mạch) xảy ra ở chỗ dV/dI = 0; và ở điểm 1 ta định nghĩa điện áp VBF (hay VFB-FB=forward- breakover ), và dòng chuyển mạch IS. • 1-2: Dụng cụ ở trong miền điện trở âm, nghĩa là khi dòng tăng thì áp giảm. • 2-3: Dụng cụ ở trạng thái dẫn (on) hay dẫn thuận và có tổng trở thấp. Ở điểm 2, với dV/dI = 0, ta định nghĩa dòng giữ (holding current) Ih (hay IH) và điện áp giữ Vh (hay VH). • 0-4: Dụng cụ ở trạng thái chặn ngược. 8 • 4-5: Dụng cụ ở miền đánh thủng ngược. 4
5. 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 thái tắt (off) dòng thấp, tổng trở cao sang trạng thái dẫn (on) dòng cao, tổng trở thấp, hoặc ngược lại. • Để hiểu đặc tính chặn thuận, ta xét dụng cụ như 2 BJT nối theo cách sau: 9 • Dòng nền của BJT PNP (BJT 1 có = 1) với I1 là dòng rĩ ICBO của BJT 1. • Dòng thu của BJT NPN (BJT 2 có = 2) với I2 là dòng rĩ ICBO của BJT 2. • Vì IB1 = IC2, ta suy ra được 10 5
6. 11 Bề rộng miền nghèo và sụt áp trên thyristor ở các điểm làm việc khác nhau Cân bằng Chặn thuận Dẫn thuận 12 Dẫn ngược 6
7. Cấu tạo của SCR Cấu tạo của SCR 3 cực planar 13 Mặt cắt ngang 1 chiều của SCR planar 14 7
8. 15 Ảnh hưởng của dòng cổng IG Khi dòng cổng IG tăng thì điện áp chuyển VBF giảm 16 8
9. TD: Ứng dụng SCR để điều khiển công suất ra tải 17 Hình dạng thực tế của Thyristor 18 9
10. 19 Characteristics of thyristors 20 10
11. Ways to turn-on thyristors 21 Considerations on gating signals 22 11
12. Thyristor turn-off characteristics 23 Thyristor Turn Off 24 12
13. 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
14. The SCR can be turned on at its gate terminal. With a dc Load Anode source, the SCR stays on after Cathode it is gated. Gate Load current Gate pulse Time occurs here 27 With an ac Load Anode source, the SCR turns off at the Cathode zero-crossing. Gate off on Load current Gate pulse Time occurs here Turns off here 28 14
15. The gate can Load Anode be pulsed for each positive alternation. Cathode Gate Load current Time 29 The average Load Anode load current can be decreased Cathode by gating Gate the SCR later. Load current Time 30 15
16. . and later. Load Anode Cathode Gate Load current Time 31 . or, not Load Anode at all. Cathode Gate No gate pulses: ILoad = 0 Load current 0 Time 32 16
17. Major Kinds of Thyristors 33 Các ứng dụng cơ bản của SCR 34 17
18. 35 36 18