
Công tắc tắt cổng
Bài viết giải thích cách hoạt động của công tắc tắt cổng trong thiết bị điện tử công suất.
Công tắc tắt cổng, còn được gọi là công tắc điều khiển cổng (GCS) hoặc thyristor tắt cổng (GTO), tương tự như SCR nhưng có thể được tắt bằng tín hiệu âm ở cực cổng. GTO thường xử lý dòng điện thấp hơn nhiều so với SCR.
GTO sở hữu nhiều đặc tính của SCR và transistor, và ở một số khía cạnh, nó vượt trội hơn cả hai loại trên trong các ứng dụng chuyển mạch nguồn. GTO chuyển mạch dòng điện một chiều mà không cần các linh kiện bổ sung như SCR, nhờ đó chi phí thấp hơn và ít nhiễu điện từ hơn. GTO cũng có thể khóa bật hoặc khóa tắt chỉ bằng một xung duy nhất.
Mặc dù có nhiều ưu điểm, GTO không được sử dụng rộng rãi như người ta từng nghĩ. Việc sử dụng GTO ít có thể là do dòng điện tối đa có thể đóng một cách đáng tin cậy trong các GTO đời đầu bị giới hạn ở một giá trị thấp. Hạn chế này là do các sợi dây tóc tạo ra các điểm nóng cục bộ trong quá trình đóng.
Tuy nhiên, GTO mới tắt ở dòng điện cao hơn nhiều so với các thế hệ trước, đạt được định mức điều khiển tối đa cao hơn nhờ cấu trúc anode ngắn mạch mới, pha tạp chính xác và hình học chuyển mạch tinh tế. GTO mới cũng đóng ngắt nhanh hơn các thế hệ trước, thể hiện tỷ lệ dòng điện đỉnh/trung bình cao hơn và độ lợi trạng thái cao hơn. Định mức điện áp tối đa cũng cao hơn so với bipolar và Darlington.
Nhìn chung, GTO sẽ không thể đóng thành công nếu dòng điện nằm giữa định mức ngắt tối đa và định mức xung điện áp tối đa. Tuy nhiên, cầu chì được lựa chọn đúng cách có thể giúp bảo vệ thiết bị mới khỏi hư hỏng do dòng điện trong phạm vi này.
GTO tương tự SCR ở chỗ cả hai đều là thiết bị bốn lớp. Tuy nhiên, dòng điện trung bình của GTO thấp hơn đáng kể so với SCR cùng kích thước do cấu trúc xoay chiều của nó.
Nhìn chung, định mức dòng điện trung bình của GTO sẽ khá gần với định mức dòng điện trung bình của Darlington có cùng kích thước, vì cả hai loại đều sử dụng cùng một kỹ thuật đo lường, nhưng nhìn chung, GTO có thể bị tắt ở dòng điện cao hơn, vì Darlington sẽ thoát khỏi trạng thái bão hòa ở dòng điện cao.
Công tắc điều khiển bằng silicon (SCS): SCS còn được gọi là tetrode thyristor. Các thyristor này tương tự như SCR ở chỗ chúng có hai cực cổng, cụ thể là cực cổng anode và cực cổng cathode.
Cả hai cổng có thể được sử dụng theo nhiều cách. Áp dụng tín hiệu âm vào cực dương cổng sẽ khiến SCS bật, do đó thiết bị hoạt động như một SCR bổ sung (dẫn dòng điện dương với cực âm). Nếu SCS được bật với tín hiệu cực âm cổng như một SCR thông thường, một tín hiệu đủ dương ở cực dương cổng sẽ khiến nó tắt sau đó. Một tín hiệu dương được áp dụng đồng thời cho cả hai cổng sẽ khiến SCS bật nhanh hơn so với một SCR tương đương. SCS có thể được tắt như một công tắc điều khiển cổng bằng cách áp dụng tín hiệu âm ở cực âm.
Triode song phương (triac): Triac có thể chịu được dòng điện cao và thường được sử dụng để điều khiển nguồn điện xoay chiều (AC). Triac tương tự như SCR nhưng có thể dẫn dòng điện theo cả hai hướng. Khi một điện áp thuận nhỏ được đặt giữa cực dương và cực âm, triac sẽ tắt và không dẫn điện. Nếu điện áp thuận tăng đủ cao, triac sẽ bắt đầu dẫn điện. Điện áp dương được đặt vào cực cổng (gate) sẽ kiểm soát ngưỡng dẫn điện. Tín hiệu cổng càng cao, điện áp triac sẽ càng thấp khi xảy ra dẫn điện. Triac hoạt động tương tự đối với dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Trong trường hợp này, cực tính của tín hiệu cổng phải được đảo ngược. Tín hiệu cổng càng âm, điểm dẫn điện càng thấp.
Transistor đơn nối (UJT): Transistor đơn nối có ba cực được gọi là cực phát (emitter), cực gốc (base) 1 và cực gốc 2. Vật liệu cực phát là bán dẫn loại p và vật liệu cực gốc là bán dẫn loại n. Trong UJT bổ sung, vật liệu cực gốc là loại p và vật liệu cực phát là loại n.
Tín hiệu đến cực phát của UJT điều khiển điện trở giữa các cực gốc. Khi không có tín hiệu phát, điện trở giữa cực gốc 1 và cực gốc 2 cao và dòng điện chạy qua rất thấp. Khi điện áp phát tăng, điện trở giữa các cực gốc vẫn duy trì ở mức cao cho đến khi điện áp phát đạt đến một điểm gọi là điện áp đỉnh Vp. Tại điểm này, điện trở giữa các cực gốc bắt đầu giảm khi dòng điện chạy vào các cực phát tăng. Điện áp phát giảm khi dòng điện phát tăng cho đến khi đạt đến điện áp điểm thung lũng Vv. Sau điểm thung lũng, dòng điện phát tăng làm điện áp phát tăng.
Transistor đơn nối có thể được sử dụng làm điện trở âm khi hoạt động giữa V p và V v. Đặc tính này và dòng điện hoạt động thấp khiến các transistor này hữu ích trong mạch dao động và mạch thời gian, cũng như trong việc kích hoạt SCR.
Diac: Diac bao gồm một diode kích hoạt AC và một diode song song. Mỗi diode có hai cực và hoạt động như nhau đối với dòng điện theo cả hai hướng. Khi một điện áp nhỏ thuộc bất kỳ cực nào được đặt vào diac, chỉ một lượng nhỏ dòng điện chạy qua. Điện trở của diac duy trì ở mức cao cho đến khi điện áp đặt vào đạt đến điện áp đánh thủng. Tại thời điểm này, điện trở của diac giảm xuống và dòng điện lớn bắt đầu chạy qua. Vì hoạt động này xảy ra theo cả hai hướng của dòng điện, thiết bị này đôi khi được gọi là công tắc AC. Nó thường được sử dụng cho các bộ kích hoạt triac.
Điốt bốn lớp: Điốt bốn lớp còn được gọi là điốt Schockley và có hai cực. Khi đặt một điện áp thuận nhỏ vào điốt bốn lớp, chỉ một lượng nhỏ dòng điện chạy qua và điện trở của điốt sẽ cao. Điện trở vẫn duy trì ở mức cao cho đến khi điện áp thuận tăng đến điểm đóng cắt Vs, tại thời điểm đó, dòng điện lớn bắt đầu chạy qua và điện áp giảm. Khi điốt dẫn thuận, nó có thể được tắt bằng cách giảm dòng điện hoặc điện áp xuống dưới một giá trị cố định.
Theo chiều thuận, dòng điện gặp hai mối nối phân cực thuận và một mối nối phân cực ngược với điện áp đánh thủng thấp. Khi điện áp được đặt theo chiều ngược lại, diode sẽ chặn dòng điện và hoạt động giống như một diode phân cực ngược thông thường. Theo chiều này, dòng điện gặp một mối nối phân cực thuận và hai mối nối phân cực ngược, mỗi mối nối có điện áp đánh thủng cao.
Thyristor điều khiển MOS : Thyristor điều khiển MOS (MCT) giúp tăng tốc độ đóng cắt nguồn. Thyristor này tương tự như thyristor đóng ngắt cổng (GTO), nhưng cần ít công suất hơn để đóng MCT vì chỉ có dòng cổng nhỏ chạy qua. MCT có thể chịu được dòng điện 100 A ở 1000 V với thời gian đóng ngắt dưới 2 giây và thời gian đóng ngắt là 200 nsec. Nó cũng có điện áp duy trì thấp ở trạng thái đóng.