Hai công nghệ có liên quan được sử dụng để làm giảm các yêu cầu “điều khiển”
(dòng kích hoạt cửa) của các cấu kiện thyristor truyền thống là thyristor cổng MOS (MOS-gated thyristor) và thyristor điều khiển bằng MOS (MOS Controlled Thyristor), viết tắt là MCT.
Thyristor cổng MOS (MOS-gated thyristor) sử dụng một MOSFET để khởi động việc dẫn điện thông qua transistor (PNP) phía trên của một cấu trúc thyristor tiêu chuẩn, từ đó kích hoạt cấu kiện. Do MOSFET yêu cầu dòng không đáng kể để điều khiển (làm cho nó bão hoà), điều này nói chung làm cho việc kích hoạt thyristor trở nên rất dễ dàng.
Hình 7.49
Hình 7.49 - Mạch tương đương của thyristor cổng MOS
Trên thực tế thì một SCR thông thường thì cũng khá dễ để “điều khiển”. Ưu điểm trong ứng dụng thực tế của việc sử dụng một cấu kiện nhạy hơn (một MOSFET) để khởi động việc kích hoạt là đáng phải tranh luận. Ngoài ra, việc đặt một MOSFET tại đầu vào cực cửa của thyristor làm cho nó không thể tắt khi được kích hoạt bởi một tín hiệu đảo ngược. Chỉ có dòng điện nhỏ đi qua là có thể làm cho cấu kiện này ngừng dẫn sau khi nó đã được chốt.
Người ta có thể cho rằng một cấu kiện có gía thành lớn hơn sẽ là một thyristor có thể được điều khiển hoàn toàn, nhờ đó một tín hiệu cực cửa (gate signal) nhỏ có thể thực hiện cả hai việc: kích hoạt thyristor và buộc nó phải tắt. Cấu kiện này được gọi là thyristor điều khiển bằng MOS (MOS Controlled Thyristor), viết tắt là MCT. MCT sử dụng một cặp MOSFET nối tới một cổng cửa chung (a common gate terminal), một MOSFET dùng để kích hoạt thyristor và MOSFET kia dùng để “không kích hoạt”
thyristor. Hình 7.50
Một điện áp cực cửa dương (so với catốt) sẽ mở (bật) MOSFET (kênh N) phía trên, cho phép dòng cực gốc chảy qua transistor (PNP) phía trên, dẫn đến việc chốt cặp transistor ở trạng thái mở (bật). Mỗi khi cả hai transistor đều được chốt hoàn toàn, sẽ có một điện áp nhỏ rơi giữa anốt và catốt, và thyristor sẽ duy trì trạng thái chốt miễn là dòng điều khiển lớn hơn giá trị dòng giữ (holding current) nhỏ nhất. Tuy nhiên, nếu một điện áp cực cửa âm được cung cấp (so với annốt, mà gần giống với điện áp khi catốt ở trạng thái chốt), MOSFET ở phía dưới sẽ dẫn (bật) và gây ngắn mạch giữa cổng bazơ và emitơ của transistor (NPN) phía dưới, làm cho nó chuyển sang trạng thái tắt. Mỗi khi transistor NPN ở trạng thái tắt, transistor PNP sẽ ngừng dẫn, và toàn bộ thyristor sẽ tắt. Điện áp cực cửa điều khiển hoàn toàn việc dẫn điện trong MCT: dẫn (bật) và tắt nó.
Anốt
Catốt Cực cửa
Mạch tương đương Thyristor cổng MOS
Hình 7.50 - Mạch tương đương của thyristor điều khiển bằng MOS (MCT) Cấu kiện này vẫn là một thyristor. Nếu đưa một điện áp bằng 0V vào giữa cực cổng và catốt thì không MOSFET nào được dẫn (bật). Kết quả là cặp BJT sẽ duy trì ở bất kỳ trạng thái nào mà là trạng thái cuối cùng của chúng (trễ). Do đó khi đưa một xung dương tới cực cửa (gate) sẽ bật MCT, và một xung âm sẽ buộc nó chuyển sang trạng thái tắt, và không một điện áp cổng được cung cấp nào khiến nó duy trì ở trạng thái bất kỳ mà nó đang ở. Điều cốt yếu là MCT là phiên bản “chốt” của IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - Transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly).
TÓM TẮT CHƯƠNG Hiện tượng trễ:
Hiện tượng trễ điện là xu hướng của các cấu kiện có khả năng duy trì ở trạng thái
“bật” (dẫn) sau khi nó bắt đầu dẫn và duy trì ở trạng thái “tắt” (không dẫn) sau khi nó ngừng dẫn.
Các mạch dao động đơn giản được gọi là cac mạch dao động hồi phục (relaxation oscillators) có thể được tạo ra chỉ với một mạng nạp điện trở - tụ điện và một cấu kiện trễ được nối qua tụ điện.
Điốt Shockley
Điốt Shockley là cấu kiện bán dẫn 4 lớp PNPN. Cấu kiện này có đặc điểm như một cặp transistor PNP và NPN đấu nối với nhau.
Giống như tất cả các thyristor, điốt Shockley có xu hướng duy trì ở trạng thái bật (chốt), và duy trì ở trạng thái tắt mỗi khi nó tắt.
Anốt
Catốt Cực cửa
Mạch tương đương Thyristor điều khiển bằng MOS
Để chốt một điốt Shockley cần cung cấp giữa anot và catot một điện áp lớn hơn điện áp khiến điốt dẫn (breakover voltage), hoặc cung cấp giữa anot và catot một điện áp có tốc độ tới hạn của việc tăng điện áp lớn hơn.
Để làm cho một điốt Shockley ngừng dẫn thì phải giảm dòng điện chảy qua nó tới một mức nhỏ hơn ngưỡng dòng thấp.
SCR
Một bộ chỉnh lưu có điều khiển Silic (SCR) bản chất là một điốt Shockley được thêm vào một cổng. Cổng được thêm vào này được gọi là cực cửa, và nó được sử dụng để kích hoạt SCR sang trạng thái dẫn (chốt nó) bằng cách cung cấp vào cực này một điện áp nhỏ.
Để kích hoạt, hoặc khiến SCR dẫn thì điện áp buộc phải được cung cấp giữa cực cửa và catot sao cho cực dương đấu với cực cửa, cực âm đấu với catot. Khi kiểm tra một SCR, một kết nối hiện thời giữa cực cửa và anot sẽ là đủ về phân cực, cường độ, và thời gian để kích hoạt nó.
SCR có thể chuyển sang trạng thái dẫn bằng cách kích hoạt có chủ ý cực cửa, điện áp quá mức (đánh thủng) giữa anot và catot, hoặc tốc độ tăng điện áp quá mức giữa anot và catot. SCR có thể bị tắt khi dòng anot rơi xuống dưới giá trị dòng giữ (holding current value), hoặc khi đảo chiều điện áp cung cấp giữa cực cửa và catot (cung cấp điện áp âm vào cực cửa). Việc đảo chiều điện áp này chỉ đôi lúc có hiệu quả, và luôn liên quan đến dòng cực cửa cao.
Một biến thể của SCR, gọi là thyristor cổng tắt (Gate-Turn-Off thyristor (GTO)) được thiết kế đặc biệt để tắt bằng cách kích hoạt đảo. Thậm chí sau đó, việc kích hoạt đảo yêu cầu dòng điện đủ cao: thường bằng 20% dòng anot.
Các cổng SCR có thể được nhận dạng bằng một đồng hồ đo sự thông mạch: chỉ hai cổng có sự thông mạch hoàn toàn thì đó hẳn là cực cửa và catot. Cực cửa và catot nối với một chuyển tiếp PN bên trong của SCR, do đó một đồng hồ đo sự thông mạch sẽ nhận được một chỉ thị giống như với chỉ thị của điốt giữa hai cực này với đầu đo màu đỏ (+) đặt ở cực cửa và đầu đo màu đen (-) đặt ở catot. Chú ý rằng một số SCR có một điện trở trong nối giữa cực cửa và catot, điện trở này sẽ ảnh hưởng đến chỉ thị thông mạch của đồng hồ đo.
Các SCR là các bộ chỉnh lưu thực sự: chúng chỉ cho phép dòng chảy qua chúng theo một hướng. Nghĩa là chúng không thể sử dụng một mình cho việc điều khiển nguồn xoay chiều toàn sóng.
Nếu các điốt trong một mạch chỉnh lưu được thay thế bằng các SCR, ta thu được một mạch chỉnh lưu có điều khiển. Trong mạch đó nguồn một chiều đưa tới tải có thể được chia tỉ lệ theo thời gian bằng cách kích hoạt các SCR tại các điểm khác nhau dọc theo dạng sóng của nguồn xoay chiều.
TRIAC
Một TRIAC hoạt động rất giống với hai SCR nối đấu lưng với nhau để có thể làm việc song hướng (AC).
Các điều khiển TRAC thường thấy rất đơn giản, các mạch công suất thấp thường đơn giản hơn các mạch công suất cao, phức tạp. Trong các mạch điều khiển công suất lớn, nhiều SCR có xu hướng được ưa chuộng hơn.
Khi được sử dụng để điều khiển công suất xoay chiều tới tải, các TRAC thường được đi kèm với các DIAC mắc nối tiếp với các cực cửa. DIAC giúp TRAC dẫn đối xứng hơn.
Các cổng chính 1 và 2 trên một TRIAC là không thể hoán đổi cho nhau.
Để kích hoạt thành công một TRAC, dòng cực cửa buộc phải đi từ phía cổng chính 2 (MT2) của mạch.
UJT
Một transistor đơn nối gồm hai cực cửa (B1, B2) nối với một thanh trở làm bằng silic, và một cực phát ở giữa. Chuyển tiếp E-B1 có các đặc điểm trở kháng âm; nó có thể chuyển mạch giữa trở kháng cao và thấp.
Một transistor đơn nối khả trình (PUT) là một thyristor 3 cực 4 lớp hoạt động giống như một transistor đơn nối. Một mạng điện trở ngoài lập trình η.
Một PUT có tỉ số cân bằng trong là η=R1/(R1+R2); thay thế RB1 và RB2 tương ứng đối với một transistor đơn nối. Điện áp kích hoạt được xác định bởi η.
Các transistor đơn nối và các transistor đơn nối khả trình được ứng dụng trong các bộ tạo dao động, các mạch định thời, và mạch kích hoạt thyristor.
SCS
Một chuyển mạch điều khiển Silic (silicon-controlled switch (SCS) về cơ bản là một cực cửa ngoài thêm vào.
Thông thường, dòng tải chạy qua một SCS được mang bởi các cực anot và cực catot, với các cực anot và cực catot là các đầu điều khiển.
Một SCS sẽ bật (dẫn) khi đưa một điện áp dương vào giữa cực cửa catot (cathode gate) và catot. Nó có thể bị ngắt (đảo mạch bắt buộc) bằng cách cung cấp một điện áp âm giữa các cực anot và catot, hoặc đơn giản hơn bằng cách ngắn mạch các cực này với nhau. Cực anot buộc phải dương hơn catot để làm cho SCS chốt.
Thyristor điều khiển bằng hiệu ứng trường
Một thyristor cổng MOS (MOS-gated Thyristor) sử dụng một MOSFET kênh N để kích hoạt một thyristor, kết quả là cần một dòng cực cửa cực thấp.
Một Thyristor được điều khiển bằng MOS (MOS Controlled Thyristor (MCT)) sử dụng hai MOSFET để thực hiện điều khiển hoàn toàn thyristor. Một điện áp cửa dương sẽ kích hoạt cấu kiện; một điện áp cửa âm sẽ buộc cấu kiện tắt. Điện áp cửa bằng 0 cho phép thyristor duy trì ở trạng thái bất kỳ mà nó ở trước đó (tắt hoặc dẫn).