Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR) là một thiết bị bán dẫn công suất quan trọng được sử dụng rộng rãi để điều khiển điện áp và dòng điện cao trong các hệ thống điện và công nghiệp. Khả năng chuyển đổi và điều chỉnh năng lượng hiệu quả của nó làm cho nó hữu ích trong bộ chuyển đổi, bộ truyền động động cơ và mạch tự động hóa. Bài viết này giải thích cấu tạo SCR, nguyên lý làm việc, đặc điểm, loại và ứng dụng thực tế một cách rõ ràng và có cấu trúc.
Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR) là gì?
Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR) là một thiết bị bán dẫn công suất ba cực được sử dụng để điều khiển và chuyển đổi điện áp và dòng điện cao trong mạch điện. Nó là một thành viên của họ thyristor và có cấu trúc PNPN bốn lớp. Không giống như một diode đơn giản, SCR cho phép chuyển mạch có kiểm soát vì nó chỉ BẬT khi tín hiệu kích hoạt cổng được áp dụng. Nó được sử dụng rộng rãi trong bộ chuyển đổi AC / DC, ổ đĩa động cơ, bộ sạc pin và tự động hóa công nghiệp do khả năng và hiệu quả xử lý năng lượng cao.
Cấu tạo và biểu tượng của SCR
Bộ chỉnh lưu điều khiển silicon (SCR) được chế tạo bằng cách sử dụng bốn lớp vật liệu bán dẫn loại P và loại N xen kẽ, tạo thành cấu trúc PNPN với ba điểm nối: J1, J2 và J3. Nó có ba thiết bị đầu cuối:
• Cực dương (A): Kết nối với lớp P bên ngoài
• Cực âm (K): Kết nối với lớp N bên ngoài
• Cổng (G): Được kết nối với lớp P bên trong và được sử dụng để kích hoạt
Bên trong, SCR có thể được mô hình hóa dưới dạng hai bóng bán dẫn được kết nối với nhau — một PNP và một NPN — tạo thành một vòng phản hồi tái tạo. Cấu trúc bên trong này giải thích hành vi chốt của SCR, nơi nó tiếp tục dẫn ngay cả sau khi tín hiệu cổng bị loại bỏ.
Biểu tượng SCR giống như một diode nhưng bao gồm một thiết bị đầu cuối cổng để điều khiển. Dòng điện chạy từ cực dương này sang cực âm khác khi thiết bị được kích hoạt qua cổng.
Hoạt động của SCR
SCR hoạt động ở ba trạng thái điện dựa trên điện áp cực dương-cực âmtage và tín hiệu cổng:
Chế độ chặn ngược
Khi cực dương được tạo ra âm so với cực âm, các mối nối J1 và J3 bị phân cực ngược. Chỉ có một dòng điện rò rỉ nhỏ chạy qua. Vượt quá vol ngượctage giới hạn có thể làm hỏng thiết bị.
Chế độ chặn chuyển tiếp (Trạng thái TẮT)
Với cực dương dương và cực âm âm, các điểm nối J1 và J3 thiên về phía trước trong khi J2 là cực dương ngược. SCR vẫn TẮT ở trạng thái này mặc dù điện áp chuyển tiếptage được áp dụng, ngăn dòng điện chạy cho đến khi kích hoạt được cung cấp.
Chế độ dẫn chuyển tiếp (Trạng thái BẬT)
Áp dụng xung cổng trong phân cực thuận sẽ tiêm các sóng mang tiếp giáp phân cực thuận J2, cho phép dẫn điện. Sau khi BẬT, SCR chốt và tiếp tục dẫn ngay cả sau khi tín hiệu cổng bị loại bỏ, miễn là dòng điện vẫn cao hơn dòng điện giữ.
Đặc điểm VI của SCR
Đặc tính VI xác định cách dòng điện của thiết bị phản ứng với điện áp đặt vào các vùng hoạt động khác nhau:
• Vùng chặn ngược: Dòng điện tối thiểu chạy dưới phân cực ngược cho đến khi xảy ra sự cố.
• Vùng chặn chuyển tiếp: Điện áp chuyển tiếp tăng nhưng dòng điện vẫn ở mức thấp cho đến khi đạt đến điện áp đột phá chuyển tiếp (VBO).
• Vùng dẫn chuyển tiếp: Sau khi kích hoạt bằng xung cổng, SCR nhanh chóng chuyển sang trạng thái BẬT điện trở thấp với điện áp chuyển tiếp nhỏtage giảm (1–2V).
Tăng dòng điện cổng làm giảm điện áp đột phá thuận, cho phép BẬT sớm hơn. Điều này rất hữu ích trong các mạch xoay chiều điều khiển pha.
Đặc điểm chuyển mạch của SCR
Các đặc tính chuyển đổi mô tả hành vi của SCR trong quá trình chuyển đổi giữa trạng thái TẮT và BẬT:
• Thời gian BẬT (tấn): Thời gian cần thiết để SCR chuyển hoàn toàn từ TẮT sang BẬT sau một xung cổng. Nó bao gồm thời gian trễ, thời gian tăng và thời gian lan truyền. BẬT nhanh hơn đảm bảo chuyển đổi hiệu quả trong bộ chuyển đổi và biến tần.
• Thời gian TẮT (tq): Sau khi dừng dẫn, SCR cần thời gian để lấy lại khả năng chặn thuận do các hạt mang điện tích được lưu trữ. Độ trễ này được yêu cầu trong các ứng dụng tần số cao và các mạch giao hoán bên ngoài được yêu cầu trong các hệ thống DC.
Các loại SCR
SCR có sẵn trong các kiểu xây dựng và lớp hiệu suất khác nhau để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng điện áp, dòng điện và chuyển mạch khác nhau. Dưới đây là các loại SCR chính được giải thích mà không cần sử dụng định dạng bảng, theo yêu cầu.
SCR nhựa rời rạc
Đây là một SCR nhỏ, công suất thấp thường được đóng gói trong vỏ TO-92, TO-126 hoặc TO-220. Nó tiết kiệm và thường được sử dụng trong các mạch điện tử dòng điện thấp. Các SCR này lý tưởng cho việc chuyển đổi AC đơn giản, hệ thống điều khiển công suất thấp, bộ điều chỉnh độ sáng và mạch sạc pin.
Mô-đun nhựa SCR
Loại này được thiết kế để xử lý dòng điện từ trung bình đến cao. Nó được bao bọc trong một mô-đun nhựa nhỏ gọn cung cấp khả năng cách điện và dễ dàng lắp đặt. Các SCR này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống UPS, bộ điều khiển công nghiệp, máy hàn và bộ điều khiển tốc độ động cơ.
Gói báo chí SCR
SCR gói báo chí là thiết bị hạng nặng được xây dựng trong một gói giống như đĩa kim loại chắc chắn. Chúng cung cấp hiệu suất nhiệt tuyệt vời và khả năng dòng điện cao và không yêu cầu hàn. Thay vào đó, chúng được kẹp giữa các tản nhiệt dưới áp suất, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng có độ tin cậy cao như truyền động công nghiệp, hệ thống kéo, truyền tải điện HVDC và lưới điện.
SCR chuyển đổi nhanh
SCR chuyển mạch nhanh, còn được gọi là SCR cấp biến tần, được thiết kế cho các mạch hoạt động ở tần số cao hơn. Chúng có thời gian tắt ngắn và giảm tổn thất chuyển mạch so với SCR tiêu chuẩn. Các thiết bị này thường được sử dụng trong máy cắt băng, bộ chuyển đổi DC–DC, bộ biến tần tần số cao và nguồn điện xung.
Phương pháp BẬT SCR
Các cách khác nhau để kích hoạt SCR dẫn điện bao gồm:
Kích hoạt cổng (Phổ biến nhất): Xung cổng công suất thấp BẬT SCR một cách có kiểm soát. Được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp.
Kích hoạt điện áp chuyển tiếp: Nếu điện áp chuyển tiếp vượt quá điện áp ngắt, SCR sẽ BẬT mà không có xung cổng, thường tránh do căng thẳng trên thiết bị.
Kích hoạt nhiệt (Không mong muốn): Nhiệt độ quá cao có thể vô tình bắt đầu dẫn điện; Phải tránh làm mát không đúng cách.
Kích hoạt ánh sáng (LASCR): SCR nhạy cảm với ánh sáng sử dụng photon để kích hoạt dẫn điện trong các ứng dụng cách ly điện áp cao.
Kích hoạt dv / dt (Không mong muốn): Sự gia tăng nhanh chóng của điện áp chuyển tiếp có thể gây ra tình trạng BẬT ngẫu nhiên do điện dung tiếp giáp Mạch snubber ngăn chặn điều này.
Ưu điểm và hạn chế của SCR
Ưu điểm của SCR
• Xử lý điện áp và công suất cao: SCR có khả năng kiểm soát lượng điện năng lớn, thường nằm trong khoảng từ hàng trăm đến hàng nghìn vôn và ampe, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng công nghiệp nặng như truyền động động cơ, truyền HVDC và bộ chuyển đổi điện.
• Hiệu suất cao và tổn thất dẫn điện thấp: Sau khi BẬT, SCR dẫn điện với điện áp rất nhỏ (thường là 1–2 volt), dẫn đến tiêu tán điện năng thấp và hiệu suất hoạt động cao.
• Yêu cầu dòng điện cổng nhỏ: Thiết bị chỉ cần một dòng kích hoạt nhỏ ở đầu cuối cổng để BẬT, cho phép mạch điều khiển công suất thấp đơn giản chuyển đổi tải công suất cao.
• Kết cấu chắc chắn và thiết kế tiết kiệm chi phí: SCR mạnh mẽ về mặt cơ học, ổn định nhiệt và được thiết kế để chịu được dòng điện tăng cao. Cấu trúc bên trong đơn giản của chúng cũng làm cho chúng tương đối rẻ so với các thiết bị chuyển mạch bán dẫn công suất khác.
• Thích hợp để điều khiển nguồn AC: Vì SCR tự nhiên TẮT khi dòng điện xoay chiều vượt qua không (chuyển mạch tự nhiên), chúng lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển pha AC như bộ điều chỉnh độ sáng đèn, bộ điều khiển lò sưởi và bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều.
Hạn chế của SCR
• Dẫn điện một chiều: SCR chỉ dẫn dòng điện theo hướng thuận. Nó không thể chặn dòng điện ngược một cách hiệu quả trừ khi được sử dụng với các thành phần bổ sung như điốt, hạn chế việc sử dụng nó trong một số mạch điều khiển AC.
• Không thể TẮT bằng thiết bị đầu cuối cổng: Mặc dù SCR có thể được kích hoạt BẬT thông qua cổng, nhưng nó không phản hồi với bất kỳ tín hiệu cổng nào để TẮT. Dòng điện phải giảm xuống dưới dòng điện giữ hoặc kỹ thuật giao hoán cưỡng bức phải được sử dụng trong mạch DC.
• Yêu cầu mạch giao hoán trong các ứng dụng DC: Trong mạch DC thuần túy, SCR không nhận được điểm không dòng điện tự nhiên để TẮT. Các mạch giao hoán bên ngoài là cần thiết, làm tăng độ phức tạp và chi phí của mạch.
• Tốc độ chuyển mạch hạn chế: SCR tương đối chậm so với các thiết bị chuyển mạch bán dẫn hiện đại như MOSFET hoặc IGBT. Điều này làm cho chúng không phù hợp với các ứng dụng chuyển mạch tần số cao.
• Nhạy cảm với dv / dt cao và điều kiện quá áp: Sự gia tăng nhanh chóng của điện áp trên SCR hoặc điện áp quá mức có thể kích hoạt BẬT sai, ảnh hưởng đến độ tin cậy. Cần có các mạch snubber và các bộ phận bảo vệ thích hợp để tránh đánh lửa sai và hỏng hóc thiết bị.
Ứng dụng của SCR
• Bộ chỉnh lưu có điều khiển (bộ chuyển đổi AC sang DC) - Được sử dụng trong sạc pin và nguồn cung cấp DC thay đổi.
• AC Voltage Bộ điều khiển - Bộ điều chỉnh độ sáng, điều khiển tốc độ quạt và bộ điều chỉnh lò sưởi.
• Điều khiển tốc độ động cơ DC - Được sử dụng trong các ổ đĩa DC tốc độ thay đổi.
• Biến tần và bộ chuyển đổi - Để chuyển đổi nguồn DC sang AC.
• Bảo vệ quá áp (Mạch xà beng) - Bảo vệ nguồn điện khỏi điện áp tăng vọt.
• Công tắc tĩnh / Rơle trạng thái rắn - Chuyển mạch nhanh mà không bị mài mòn cơ học.
• Bộ điều chỉnh công suất - Được sử dụng trong sưởi ấm cảm ứng và lò công nghiệp.
• Bộ khởi động mềm cho động cơ - Kiểm soát dòng khởi động trong quá trình khởi động động cơ.
• Hệ thống truyền tải điện - Được sử dụng trong hệ thống HVDC (Dòng điện một chiều điện áp cao).
So sánh SCR và GTO
Thyristor tắt cổng (GTO) là một thành viên khác của họ thyristor và thường được so sánh với SCR.
| Tham số | SCR (Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon) | GTO (Thyristor tắt cổng) |
|---|---|---|
| Kiểm soát tắt | Yêu cầu chuyển mạch bên ngoài | Có thể TẮT bằng tín hiệu cổng |
| Cổng hiện tại | Yêu cầu xung nhỏ | Yêu cầu dòng điện cổng cao |
| Chuyển đổi | Chỉ BẬT cổng | Cổng BẬT và TẮT |
| Tốc độ chuyển đổi | Trung bình | Nhanh hơn |
| Xử lý điện năng | Rất cao | Cao |
| Chi phí | Thấp | Đắt tiền |
| Ứng dụng | Bộ chỉnh lưu điều khiển, bộ điều khiển AC | Biến tần, máy bắt, ổ đĩa tần số cao |
Kiểm tra SCR bằng Ohmmeter
Trước khi lắp đặt SCR vào mạch điện, điều quan trọng là phải xác minh rằng nó có khỏe mạnh về điện hay không. SCR bị lỗi có thể gây đoản mạch hoặc hỏng toàn bộ hệ thống. Kiểm tra cơ bản có thể được thực hiện bằng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số hoặc tương tự cùng với nguồn DC nhỏ để kích hoạt xác minh.
1 Kiểm tra mối nối từ cổng đến cực âm
Những điều này kiểm tra xem điểm nối cổng có hoạt động giống như một diode hay không.
• Đặt đồng hồ vạn năng ở chế độ kiểm tra diode
• Kết nối đầu dò dương (+) với Cổng (G) và đầu dò âm (-) với Cực âm (K). Kết quả đọc bình thường cho thấy điện áp chuyển tiếptage rơi từ 0.5V đến 0.7V
• Đảo ngược các đầu dò (+ đến K, – đến G). Đồng hồ phải hiển thị OL (vòng hở) hoặc điện trở rất cao
Kiểm tra chặn cực dương đến cực âm
Điều này đảm bảo SCR không bị đoản mạch bên trong.
• Giữ đồng hồ vạn năng ở chế độ diode hoặc chế độ điện trở
• Kết nối + đầu dò với Cực dương (A) và - đầu dò với Cực âm (K). SCR sẽ chặn dòng điện và hiển thị hở mạch (không dẫn điện)
• Đảo ngược các đầu dò (+ đến K, – đến A). Đọc vẫn phải hở mạch
Kiểm tra kích hoạt (chốt) SCR
Điều này xác nhận liệu SCR có thể BẬT và chốt đúng cách hay không.
• Sử dụng pin 6V hoặc 9V với điện trở 1kΩ nối tiếp
• Kết nối pin + với Cực dương (A) và pin - với Cực âm (K)
• Kết nối nhanh Cổng (G) với Cực dương thông qua điện trở 100–220Ω. SCR nên BẬT và chốt, cho phép dòng điện chạy ngay cả sau khi tháo kết nối cổng.
• Để TẮT, hãy ngắt kết nối nguồn — SCR sẽ mở chốt
Kết luận
Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon vẫn là một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển công suất do hiệu quả, độ tin cậy cao và khả năng xử lý tải điện lớn. Từ điều chỉnh điện áp xoay chiều đến điều khiển động cơ DC và hệ thống chuyển đổi công nghiệp, SCR tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện. Nắm vững kiến thức cơ bản về SCR giúp thiết kế các mạch điện tử công suất an toàn và hiệu quả.
Câu hỏi thường gặp [FAQ]
Sự khác biệt giữa SCR và TRIAC là gì?
TRIAC có thể dẫn dòng điện theo cả hai hướng và được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển AC như bộ điều chỉnh độ sáng và bộ điều chỉnh quạt. SCR chỉ dẫn dòng điện theo một hướng và chủ yếu được sử dụng để điều khiển hoặc chỉnh lưu DC.
Tại sao SCR cần mạch giao hoán?
Trong mạch DC, SCR không thể TẮT chỉ bằng cách sử dụng đầu cuối cổng. Mạch giao hoán buộc dòng điện giảm xuống dưới dòng điện giữ, giúp SCR TẮT an toàn.
Điều gì khiến SCR không thành công?
Lỗi SCR thường do quá áp, dòng điện tăng cao, tản nhiệt không đúng cách hoặc chuyển mạch sai do dv / dt kích hoạt. Sử dụng mạch snubber và tản nhiệt giúp ngăn ngừa hỏng hóc.
SCR có thể điều khiển nguồn AC không?
Có, SCR có thể điều khiển nguồn AC bằng cách sử dụng điều khiển góc pha. Bằng cách trì hoãn góc bắn của tín hiệu cổng trong mỗi chu kỳ AC, điện áp đầu ra và công suất cung cấp cho tải có thể được điều chỉnh.
Dòng giữ trong SCR là gì?
Giữ dòng điện là dòng điện tối thiểu cần thiết để giữ SCR ở trạng thái BẬT. Nếu dòng điện giảm xuống dưới mức này, SCR sẽ tự động TẮT ngay cả khi nó đã được kích hoạt trước đó.